一种新型聚合物石英压电传感器的设计及其力学行为研究

当今社会，传感器技术作为令人瞩目的高新技术已迅猛发展起来，它是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。新型智能传感器的发展不单单能改造传统产业，而且还可以为新型工业的建立提供技术基础，从而成为21世纪新的经济增长点。新型聚合物石英压电传感器是将新材料与传感器技术结合起来，模拟人类的香味知觉功能，模仿人的嗅闻评价，可广泛运用于工业生产部门（如酒类、烟草业、化妆品、食品工业、石油化工、粮食储存与加工等）及危险物（如爆炸物品、毒品与其他围巾物品等）排查。新型聚合物石英压电传感器的工作原理为利用其对质量变化的敏感性，通过压电石英晶片上所镀聚合物薄膜吸附特征物质后质量变化所引起的频率变化来检测待测物质，其设计思路为通过智能AT切割制作压电石英晶片，通过实验确定薄膜材料对特征识别物的吸附性，采用真空电子束色散镀膜技术在石英晶片上蒸镀对待测物质有亲和性物理吸附反应的聚合物薄膜，设计亲和型压电传感器阵列、后端电路及其系统。在新型聚合物石英压电传感器中“聚合物薄膜-石英压电晶体-聚合物薄膜”组成了三层圆盘结构，其为层状夹芯复合材料构件，研究三层圆盘复合材料构件的振动力学性能，对提高聚合物薄膜压电传感器的稳定性、灵敏度等技术指标具有指导作用。本文的研究内容具体包括:
　　(1)通过实验研究确定不同聚合物薄膜材料对特征识别物的吸附性，选择化学物质敏感的亲和型聚合物薄膜材料，创新性的采用简便的“真空电子束色散(EBD)镀膜技术”，以低温电子束辐射作用于聚合物的工艺方法来制备聚合物薄膜涂层。
　　(2)研究并设计一种新型聚合物石英压电传感器，由8组传感器组成传感器阵列，为传感器阵列编制出合适的工作辨识软件程序，通过后端电路与系统研究，实现智能检测设备的开发。
　　(3)针对一种新型聚合物石英压电传感器在设计、制造及运行过程中出现的各种力学问题，建立石英压电传感器“聚合物薄膜-石英压电晶体-聚合物薄膜”三层圆盘复合材料构件力学模型，研究力电场耦合下对压电传感器谐振频率的影响，得到其振动频率方程。
　　(4)基于以上分析基础，通过实验样机对镀有八种不同薄膜的压电传感器阵列进行频率实验分析，在试验所得新型聚合物石英压电传感器固有频率的基础上，进行ANSYS模态分析，验证了其力学模型的合理性及所提出计算方法的准确性。
　　本文利用高分子聚合物材料的物理吸附性能，设计了一种新的聚合物石英压电传感器，并对其核心部件镀有亲和型聚合物薄膜的石英压电谐振器的力学行为从理论、实验、ANSYS模态分析三个方面进行了研究，对我国传感技术在快速智能检测领域的发展具有一定意义。