QCM質量靈敏度的分析與驗證.pdf

1、QCM（Quartz Crystal Microbalance）是20世紀60年代出現(xiàn)的一種基于壓電效應進行微質量測量的傳感器裝置，由于其測量精度可達納克級，且結構簡單、成本低、可實時監(jiān)測，所以在生物醫(yī)學、環(huán)境保護等領域應用廣泛。然而實際應用中需要先擬合出質量與諧振頻率偏移量的線性關系，然后才能投入使用，這限制了QCM的應用。另外，QCM表面電極對其受迫振動有影響，不同區(qū)域電極存在情況不同導致各區(qū)域在逆壓電效應下引起的質點位移不同，因此

2、QCM不同位置的質量靈敏度存在差異，所以QCM在應用中存在重復性低、測量誤差大的問題，阻礙了QCM的推廣應用。
　　本文以石英晶體的壓電特性和振動特性為基礎，推導了QCM的質量靈敏度計算方式，并分析了影響QCM質量靈敏度的因素。本文的主要內容：
　　1、從石英晶體的特性出發(fā)，介紹了石英晶體的壓電效應、頻率溫度特性以及石英晶體諧振器的等效電路。
　　2、在石英晶體壓電方程和質點位移方程的基礎上，分區(qū)域分析了石英晶體諧振器

3、的受迫振動情況，得出QCM質量靈敏度的計算方法。通過Matlab仿真分析QCM的質量靈敏度分布，分析表明QCM電極中心的質量靈敏度最大，隨著遠離電極中心質量靈敏度呈指數(shù)級衰減。然后通過Matlab仿真分析電極厚度、電極尺寸、石英晶片厚度以及電極密度對質量靈敏度的影響，以便在設計時提供理論參考。由于能陷效應存在，QCM非電極區(qū)的范圍要大于電極區(qū)，非電極區(qū)在質量測量中不容忽視，所以接著分析了非電極區(qū)在QCM質量測量過程中的影響。