QCM液相检测的理论分析及测试验证

摘要

QCM（Quartz Crystal Microbalance）传感技术，是一种新型的检测技术，它可以与生物、化学、物理等结合起来进行特定的高精度的检测。20世纪80年代，QCM开始运用到液相检测中，但液相检测在理论建模与实际测试中都遇到了很大障碍，如QCM在液体中会停振，非线性建模的难度较大，测试结果与理论偏差较大等，吸引了一大批国内外学者进行相关研究。
　　目前QCM用于液相检测时，由于其结构特性导致了分区域振动，质点位移和电位的不统一给后面的理论建模带来了难度。这也使得质量灵敏度分布不均匀，导致了检测过程中的重复性较低，进而影响了检测的准确性。此外由于经典的液相检测理论建模时没有考虑到质量层对QCM的影响，这也导致了液相检测的结果经常会出现较大的偏差。这些问题的存在严重限制了QCM在实际中的运用领域。
　　本文针对这些问题，深入研究QCM的液相检测机理，对各个问题提出了对应的改进措施。本文的主要工作为：
　　1、从石英晶片的本构方程出发推导了QCM的振动方程，对其电极区，部分电极区，非电极区进行了特定的分析，揭示了虽然各区域的质点位移方程不一致，但是其形式上可以用统一的表达式，参数值可依区域而定。对质点位移和QCM表面电位表达式进行了归一化。
　　2、深入分析了QCM的质量检测原理和质量灵敏度，指出可以通过QCM表面质点位移的幅值来分析质量灵敏度。QCM的质量灵敏度分布呈近似高斯形，且分布极不均匀，只在靠近电极中心处有较高的灵敏度。针对这些问题，本文设计了新型探头，较大程度的改善了质量灵敏度分布的一致性。从而在一定程度上实现了QCM的可重复性测量，提高了测试结果的准确性。
　　3、对于QCM液相检测的传统理论中没有考虑液体的柔性吸附对于QCM的振动的影响，本文中在液相理论建模过程中通过增加一层质量层来弥补这项损失，且在已有的理论基础上详细推导了修正BVD等效电路模型，进而提出了未知溶液粘度密度的测试方法。
　　4、进行了水溶液与乙醇溶液粘密度测试，并验证了修正BVD等效电路模型的准确性。主要利用网络分析仪测得S参数，并转化为导纳谱，同时测量了频率偏移量，二者结合得到了半角频率，最后根据理论公式推算出溶液的粘度和密度。

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主要符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 QCM基本原理

1.3 文章的主要内容和结构安排

第二章 QCM的振动方程的归一化

2.1 AT切石英晶体的性质

2.2石英晶体的压电本构方程

2.3 QCM分区域振动分析

2.4 本章小节

第三章 QCM的质量检测原理及质量灵敏度优化

3.1 QCM的质量灵敏度分析

3.2 QCM探头的设计

3.3仿真分析质量灵敏度分布曲线

3.4 本章小结

第四章 QCM液相响应理论研究及测试方法

4.1 空载QCM等效电路模型

4.2 经典液相响应Kanasawa模型

4.3 修正BVD等效电路

4.4 基于QCM的未知溶液粘密度测试方法

4.5本章小结

第五章 纯水与乙醇溶液的粘密度测试及模型验证

5.1实验理论部分

5.2 实验器材及测试方案

5.3 实验结果及分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献