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石英晶體微天平(Ｑｕａｒｔｚｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ，ＱＣＭ)是通過在ＡＴ切(ＡＴｃｕｔ)石英晶片的上下表面鍍上圓形金電極而構(gòu)成的一種具有高分辨率的壓電傳感器，測量質(zhì)量時精度可以達(dá)到ｎｇ級。作為一種高精度的測量工具，ＱＣＭ在化學(xué)、生物、環(huán)境科學(xué)等很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。ＱＣＭ晶片的表面需鍍上金電極，然而金電極的厚度及直徑大小往往會直接影響ＱＣＭ的性能，甚至某些不合理的尺寸會導(dǎo)致晶片振動的強(qiáng)耦合，大大降低ＱＣＭ的測量精度。
ＱＣＭ的精度跟諧振的品質(zhì)因素Ｑ緊密聯(lián)系，Ｑ越大，ＱＣＭ的測量精度也就越高。伴隨ＱＣＭ諧振(基模)的往往還有非諧振動(即寄生泛音模，簡稱寄生模)以及高階的面切變振動，當(dāng)這些振動的頻率與諧振頻率相等或接近時，極易引起與基模的耦合。ＱＣＭ將容易出現(xiàn)跳頻、振動活動性下降、等效電阻增大(振蕩幅度下降)、Ｑ減小、測量精度下降等不良反應(yīng)。
如何抑制甚至消除耦合是ＱＣＭ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個重要問題。其研究內(nèi)容主要包括：石英晶片上電極的布置、電極的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。目前理論研究大多停留在利用解析和半解析的方法將問題近似成一維或二維模型、對材料常數(shù)作近似處理的層面上，然而在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，需要直接對原始問題的機(jī)電耦合進(jìn)行三維分析，計(jì)算出更加真實(shí)的參數(shù)，從而有效地指導(dǎo)ＱＣＭ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本研究利用有限元分析軟件ANSYS對ＱＣＭ三維建模，并進(jìn)行諧響應(yīng)分析計(jì)算，對振動情況展開分析，通過比較不同電極尺寸ＱＣＭ的振動情況，最終求出較優(yōu)的電極結(jié)構(gòu)尺寸，另外提出了在晶片表面筑平臺的設(shè)計(jì)，可改善電極區(qū)的能陷效應(yīng)。
如圖所示，假設(shè)電極隨晶片表面作剛體運(yùn)電極區(qū)基頻，ρｅ為電極密度，ｈｅ為電極厚度，ρｑ為石英密度，ｈ為晶片半厚度。由于電極層(10-7ｍ量級)與晶片厚度相比(0.272ｍｍ)很薄，在有限元分析中，若對其直接建模，單元尺寸將變得很小，計(jì)算量過大�？紤]到電極對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在降低了厚度切變模態(tài)的基頻，使系統(tǒng)呈現(xiàn)能陷效果上，因此只要保證對基頻的影響不變，模型就能正確地反映系統(tǒng)的能陷效應(yīng)。基于這種思路，可將式中的(1+Ｒ)2吸收到密度ρｑ中，即等效密度ρ′=ρｑ(1+Ｒ)2，這樣使得電極區(qū)與非電極區(qū)的差別僅在于密度不同，而厚度相同，從而便于單元劃分。
對ＱＣＭ進(jìn)行三維有限元建模，選用多相物理模塊Ｓｏｌｉｄ5單元分析直徑 14ｍｍ，厚度為0.272ｍｍ的ＡＴ切石英圓片。以電極區(qū)密集、非電極區(qū)稀疏原則對模型劃分網(wǎng)格，采用ＡＮＳＹＳＨａｒｍｏｎｙ模塊進(jìn)行諧響應(yīng)分析計(jì)算。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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