阵列式横向场激励压电体声波器件的高频振动分析

摘要

石英晶体微天平(QCM)一直是生物化学传感器研究的一个重点领域。随着传感器高精度、微型化、同时测量等发展趋势，石英晶体微天平阵列(MQCM)应运而生。长久以来，QCM的激励方式都是厚度场激励，是一种纯质量效应的传感器。此类传感器对小分子量生物化学物质的检测灵敏度不高，且无法感知被测物的电学特性。而基于横向场激励的传感器的电特性灵敏度高，且更容易阵列化和微型化，在生物传感器领域有巨大的应用前景。 本文以阵列式横向场激励压电体声波器件作为研究对象，利用Mindlin一阶板理论和三维有限元方法，对其进行高频振动分析，主要研究内容包括：通过自由振动分析分别得出电极区和非电极区的色散关系，进而求出频谱关系，以此来确定晶体板的尺寸；对双谐振元的横向场激励阵列器件进行受迫振动分析，得到动态电容图，对图中谐振峰进行模态耦合分析，从而确定符合能陷特性的谐振频率；理论分析谐振元各参数，如电极质量比R、电极宽度b、单对电极间距d对器件能陷特性和振动位移影响，以及LFE-B谐振元各参数，如LFE-B电极质量比R2、LFE-B电极宽度b2和LFE-B电极间距d2对LFE-A振动特性的影响；最后，分别用有限元方法和理论方法研究了器件各参数，如两单元电极宽度b1和2b、两单元单对电极间距d1和d2对LFE-A频率位移和频率干涉的影响，并对比验证结果。 本文的研究意义在于：初次给出了阵列式横向场激励的石英晶体器件的理论研究方法，可以为横向场激励阵列器件的优化设计提供了理论指导。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究工作

2阵列式横向场激励压电体声波器件的高频振动理论分析

2.1横向场激励的Mindlin一阶板理论

2.1.1三维运动方程

2.1.2 Mindlin的二维方程组

2.1.3横向场激励的Mindlin一阶板理论

2.2横向场激励石英晶体板的自由振动分析

2.2.1色散关系

2.2.2频谱关系

2.3横向场激励石英晶体阵列器件的受迫振动分析

2.3.1动态电容

2.3.2算例及耦合分析

2.4本章小结

3阵列式横向场激励压电体声波器件各参数对振动特性的影响

3.1各参数对横向场阵列器件振动和能陷特性的影响

3.1.1质量比R对振动特性的影响

3.1.2电极宽度b对振动特性的影响

3.1.3单对电极间距d对振动特性的影响

3.2 LFE-B各参数对LFE-A振动特性的影响

3.2.1 LFE-B质量比R2对LFE-A振动特性的影响

3.2.2 LFE-B电极宽度b2对LFE-A振动特性的影响

3.2.3 LFE-B电极间距d2对LFE-A振动特性的影响

3.3本章小结

4阵列式横向场激励压电体声波器件的高频振动有限元分析

4.1有限元分析方法

4.1.1建立有限元模型

4.1.2施加物理场

4.1.3网格划分及收敛性分析

4.1.4结果分析

4.1.5理论与有限元结果对比

4.2各参数对频率位移的影响

4.2.1 LFE-A电极宽度b1和LFE-B电极宽度b2

4.2.2 LFE-A电极间距d1和LFE-B电极间距d2

4.3各参数对频率干涉的影响

4.3.1 LFE-A电极宽度b1和LFE-B电极宽度b2

4.3.2 LFE-A电极间距d1和LFE-B电极间距d2

4.4本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢