基于横向场激励模式的石英晶体微天平的研究

摘要

具有标准电极结构的石英晶体微天平（Quartz crystal microbalance，QCM）已经被广泛地应用于液相化学传感器的研究，厚度场激励（Thickness field excitation，TFE）的检测机理主要是基于机械负载效应，如粘度、密度和质量等。然而在实际应用中对于液体电特性变化的检测也是至关重要的，所以传统的QCM存在很大的局限性。基于横向场激励（Lateral field excitation，LFE）的QCM则采用了不同的电极结构，两个电极分布在石英晶片的同一面，保证了与体声波(Bulk acoustic wave，BAW)伴随的电场能够更多地进入到被测液体中。
　　本文介绍了QCM的基本工作原理，推导了其谐振频率变化与其表面质量变化的关系;从振动模式、压电耦合系数和频率温度系数三方面考虑，解释了QCM选择AT切石英晶体的原因。在进行了充分的理论分析之后，提出了一种LFE模式的高频QCM传感器，并与流动注射技术相结合，组成了高灵敏度的测试系统。系统的研制主要包括QCM芯片、流通池和振荡电路的设计与制作。芯片采用“反台阶”式结构，既可以提高质量-频率灵敏度，又能够保持机械强度;分析了LFE器件的能陷现象，发现传统的LFE器件不具有能陷效应，并且提出了一种能产生能陷模的电极结构。设计了一种具有接触式弹簧针电极的三层式流通池结构，具有装卸方便、可重复利用等优点。分析QCM振荡电路的基本工作原理，并设计了一种能够应用于高频LFE传感器液相检测的振荡电路。最后设计了几组实验，研究了QCM传感器的基本电学特性，以及作为液相检测和免疫传感器的性能。对于基本频率在40MHz左右的高频QCM芯片，通过阻抗分析仪测试，在空气里的Q值达到两万以上，纯水中在一千左右。选用不同浓度的NaCl溶液和甘油水溶液进行实验，证明了LFE传感器不仅具有机械特性灵敏度，还具有极高的液体电特性灵敏度。而且本论文采用的是高频QCM芯片，实验结果证明高频LFE石英晶体谐振器测量范围更广，灵敏度更高。利用振荡电路进行了抗原抗体的免疫反应实验，结果表明系统的液相输出响应相对稳定，能够应用于生物免疫传感器的领域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义及背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 QCM的应用

1．4 论文研究内容

1．5 本章小结

第二章 QCM理论分析

2．1 QCM工作原理

2．1．1 石英晶体的压电效应

2．1．2 石英切型的选择

2．2 LFE器件的原理和特点

2．3 QCM传感器的基本结构

2．4 影响QCM测量的因素

2．5 本章小结

第三章 基于LFE的QCM测试系统的研制

3．1 QCM芯片的设计与制作

3．1．1 芯片的设计

3．1．2 芯片的工艺制作

3．2 QCM系统的设计

3．2．1 流动注射技术

3．2．2 流通池的结构设计

3．3 振荡电路的设计

3．3．1 振荡电路的基本工作原理

3．3．2 石英晶体的BVD模型

3．3．3 方案设计

3．4 本章小结

第四章 实验平台的设计与传感器性能研究

4．1 基于阻抗分析仪的QCM参数提取

4．1．1 阻抗分析仪测量技术及操作流程简介

4．1．2 QCM电学参数提取

4．2 LFE传感器在液相检测中的应用

4．2．1 液体电导率的测试

4．2．2 液体粘度的测试

4．3 LFE传感器在免疫实验中的应用

4．3．1 实验方法

4．3．2 实验结果和讨论

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来展望

致谢

参考文献

作者简介