新型聚合物石英壓電傳感器振動特性分析與數值模擬.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”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)的三層薄板結構。通過聚合物薄膜材料對待測物質的吸-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)，達到對待測物質的檢測功能，具有結構簡單、快速檢測和成本低等優(yōu)點。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量的變化導致其固有頻率發(fā)生變化，并通過AT切型石英壓電晶體的壓電效應輸出含有其固有頻率值的電信號。本文所研究的主要內容包括以下幾個部分:
　　(1)基于對聚合物材料、待測物質揮發(fā)性氣體物理化學性質的分析，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、到針對待測物質具有特異性吸-脫附性能的薄膜配方;通過實驗研究，得到了“真空電子束色散(EBD)鍍膜技術”下不同聚合物材料的最佳制備工藝，研制出對待測物質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)三層復合材料層合板力學模型;基于Kirchhoff薄板理論，通過假定三層復合薄板中性面豎向位移方程，研究力學模型的位移場和電勢場分布，得到具有壓電效應的石英

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，對力學模型幾何尺寸、材料屬性賦值，計算得到了力學模型的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模型進行模態(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模型1-100階固有頻率理論值與模擬值進行對比，得出基于Kirchho