论文总字数：28624字

摘 要

介电常数在研究材料特性方面具有重要意义。本文利用石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）来检测液体的介电常数。与基于厚度场模式（Thickness Field Excitation，TFE）下的QCM相比较，基于横向场激励模式（Lateral Field Excitation，LFE）的QCM在检测液体电特性方面的灵敏度更高，拥有更优异的检测性能。因此本文选择双通道方式，通过参考谐振元剔除粘密度对石英晶体的影响，从而得到由液体介电常数的变化而引起的晶体谐振的变化。

本文首先设计合适的QCM芯片、流通池以及测试系统，然后选择具有高介电常数和低介电常数的液相环境展开基于石英晶体微天平的液体介电常数的检测技术研究。通过测试谐振元和参考谐振元的对比，利用阻抗分析仪得到介电常数对QCM芯片谐振的影响。通过实验研究，证实本课题设计的基于横向场模式的双通道石英晶体微天平在介电常数较低的液相环境中具有较高的灵敏度，且液体介电常数越低，其频率变化值越大，该结论对液体介电常数的进一步研究具有重大意义。

关键词：石英晶体微天平，介电常数，横向场激励，谐振频率，液相检测

Abstract

Dielectric constant is an important parameter for studying material properties. In this paper, QCM is used to detect the dielectric constant of liquid. Compared with the traditional QCM based on the thickness field excitation, the QCM based on the lateral field excitation mode has higher sensitivity to the liquid electrical properties, and has a better detection performance. As the QCM based on LFE can also effectively detect the mechanical properties of the liquid, this paper chooses the dual channel mode and uses the reference resonator to eliminate the influence of the viscous density on the quartz crystal, thus the change of crystal resonance caused by the change of the liquid dielectric constant is obtained.

In this paper, first a suitable QCM chip, flow pool and test system are designed, and then select the liquid with high dielectric constant and low dielectric constant to detect the liquid dielectric constant based on the quartz crystal microbalance. Using the impedance analyzer, the influence of dielectric constant on the resonance of QCM chip is obtained by comparing the experimental resonant element with the reference resonance element. Through the experimental study, it is proved that the dual channel quartz crystal microbalance based on the lateral field excitation mode has high sensitivity in the liquid environment with very low dielectric constant, and the lower the dielectric constant, the greater the frequency change, which is of great significance for the further study of the liquid dielectric constant.

KEY WORDS: quartz crystal microbalance, relative permittivity, lateral field excitation, resonant frequency, liquid detection

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 QCM理论分析 4

2.1 石英晶体特性 4

2.1.1 压电效应 4

2.1.2 石英晶体振动模式 4

2.1.3 石英晶体切型 5

2.2 QCM测量原理 6

2.2.1 谐振频率 6

2.2.2 等效电路 7

2.3 LFE器件原理和特点 8

第三章 双通道石英晶体微天平及其设计 10

3.1 DQCM耦合及隔离 10

3.2 DQCM芯片设计制作 11

3.2.1 DQCM芯片结构设计 11

3.2.2 DQCM电极设计 12

3.2.3 DQCM芯片制作工艺 14

第四章 测试系统研制 16

4.1 流通池结构设计 16

4.1.1 流通池结构设计 16

4.1.2 流动注射系统设计 17

4.2 测试系统设计 18

4.2.1 阻抗分析仪 18

4.2.2 DQCM电学参数 18

第五章 实验设计及结果分析 21

5.1 实验设计及步骤 21

5.2 实验结果及分析 22

5.2.1 液相环境选择 22

5.2.2 对高介电常数的检测研究 23

5.2.3 对低介电常数的检测研究 26

5.2.4 分析总结 29

第六章 结论 31

致 谢 32

参考文献 33

绪论

研究背景及意义

在外加电场作用下，介质会产生感应电荷而减弱电场，介质中的电场减小与原外加电场（真空中）的比值就是相对介电常数(relative dielectric constant)，又称为诱电率。介电常数对于研究材料性能有很大意义，介电常数不同其应用领域也不同。目前，对介电常数的测量方法有很多种，随着石英晶体微天平在测量质量和粘度密度等方面应用的发展，本课题展开基于石英晶体微天平的液体介电常数的研究。

石英晶体微天平(QCM)是一种典型的压电转换元件，其具有结构简单，检测快速简单，灵敏度高，可以联系分析等优点，并且还适用于实时监测和远程监控，所以QCM在化学和生物传感器方面得到了广泛的应用^[1]。1959年，石英晶体微天平首先在监测真空镀膜厚度中有所应用，从20世纪60年代开始逐渐应用于分析化学中的各个领域，例如，监测大气环境的污染、测定水和液体试剂中不挥发杂质的总量以及工业生产过程的监控等^[2]。

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