新型聚合物石英壓電傳感器振動特性分析與數(shù)值模擬.pdf

1、本文研究了一種新型聚合物石英壓電傳感器的振動行為。新型聚合物石英壓電傳感器是以具有壓電效應(yīng)的AT切型石英壓電晶片作為基體，采用“真空電子束色散(EBD)鍍膜技術(shù)”在基體表面蒸鍍聚合物薄膜涂層而組成的具有聚合物圓環(huán)-石英晶體圓盤-聚合物圓環(huán)的三層薄板結(jié)構(gòu)。通過聚合物薄膜材料對待測物質(zhì)的吸-脫附特性采集特征信息，并利用模式識別系統(tǒng)模擬人類的嗅覺系統(tǒng)，達(dá)到對待測物質(zhì)的檢測功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、快速檢測和成本低等優(yōu)點(diǎn)。新型聚合物石英壓電傳感器的工

2、作原理是基于石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）原理中的Sauerbrey方程，其基于傳感器表面聚合物薄膜的吸附特性引起傳感器質(zhì)量的變化導(dǎo)致其固有頻率發(fā)生變化，并通過AT切型石英壓電晶體的壓電效應(yīng)輸出含有其固有頻率值的電信號。本文所研究的主要內(nèi)容包括以下幾個部分:
　　(1)基于對聚合物材料、待測物質(zhì)揮發(fā)性氣體物理化學(xué)性質(zhì)的分析，研究了不同種類的聚合物與揮發(fā)性氣體中的特征識別物親和性，得

3、到針對待測物質(zhì)具有特異性吸-脫附性能的薄膜配方;通過實(shí)驗研究，得到了“真空電子束色散(EBD)鍍膜技術(shù)”下不同聚合物材料的最佳制備工藝，研制出對待測物質(zhì)具有特異性吸附性能的聚合物石英壓電傳感器。
　　(2)針對新型聚合物石英壓電傳感器振動行為的理論研究，建立了其圓環(huán)-圓盤-圓環(huán)三層復(fù)合材料層合板力學(xué)模型;基于Kirchhoff薄板理論，通過假定三層復(fù)合薄板中性面豎向位移方程，研究力學(xué)模型的位移場和電勢場分布，得到具有壓電效應(yīng)的石英

4、基體在力電耦合作用下的彎矩和剪力，并得到了力學(xué)模型在固定支撐條件下的固有頻率特征方程。
　　(3)基于MATLAB軟件平臺，以聚四氟乙烯聚合物薄膜為例，對力學(xué)模型幾何尺寸、材料屬性賦值，計算得到了力學(xué)模型的1-100階固有頻率理論值。通過ANSYS有限元軟件對聚合物石英壓電傳感器力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析得到1-100階固有頻率和振型。通過新型聚合物石英壓電傳感器力學(xué)模型1-100階固有頻率理論值與模擬值進(jìn)行對比，得出基于Kirchho