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    摘要石英晶体微天平（QCM）是一种利用石英晶体的压电效应工作的高精度传感器。但因为晶体振动耦合的存在，其厚度切变振动模式的单一性遭到了破坏。针对以上情况，本文提出了基于有限元设计优化电极结构的方法。33397
    本次毕业设计介绍了QCM的原理和基本结构，振动模式及其耦合情况，并重点阐述了能陷理论。为了抑制振动耦合，提高QCM的灵敏度，本文基于ANSYS有限元分析软件分别对石英晶体电极的对称和不对称结构进行了三文建模仿真。通过数据处理和对比，给出较佳的不对称电极尺寸为激励电极半径1.4mm，测量电极半径2.4mm。
    关键词  石英晶体微天平  振动耦合  能陷理论  ANSYS
    毕业论文设计说明书外文摘要
    Title  Design and Improvement for Asymmetrical Electrode  Structure of QCM                                 
    Abstract
    Quartz crystal micro-balance(QCM) is a high accurate detector that based on the piezoelectric effect.Because of the existence of vibration coupling,the uniqueness of thickness shear vibration mode is damaged.Aimed at such condition,the way of designing asymmetrical electrode for QCM based on ANSYS is given in this paper.
    This graduation paper introduces the basic theory and structure of QCM,vibration modes and couplings between them.,the energy trapping theory is stated in detail.For the reason of restraining vibration coupling and raising the sensitivity of QCM,the design of the structure of both symmetrical and asymmetrical electrode for QCM by utilizing ANSYS is discussed in this paper.By comparing the data from simulation,the appropriate radius is 1.4mm for exciting electrode and 2.4mm for measuring electrode.   
    Keywords  QCM  Vibration coupling  Energy trapping theory  ANSYS     
    目   次
    1 引言    1
    1.1 课题的研究背景及意义    1
    1.2 QCM的应用    3
    1.3 QCM的发展现状    4
    2 QCM的基本理论    5
    2.1 QCM的工作原理    5
    2.2 石英晶片的切型和结构    6
    2.3 QCM的振动模式    7
    2.3.1 QCM的振动模式    7
    2.3.2 QCM的振动耦合    9
    2.3.3 QCM振动耦合的抑制    9
    2.3.4 能陷理论    10
    3 有限元建模准备    12
    3.1 ANSYS建模的基本步骤    12
    3.2 QCM模型的材料参数    14
    3.3 QCM基模的谐振频率    14
    3.4 QCM模型的等效处理    15
    4 设计QCM电极不对称结构    18
    4.1 QCM对称电极尺寸设计    18
    4.1.1 石英晶片建模    18
    4.1.2 确定谐振频率及x轴振动位移分量的归一化    18
    4.1.3 结果的有效性处理    20
    4.1.4 对称QCM的半径优化    20
    4.2 QCM不对称电极尺寸设计    24
    结  论    27
    致  谢    28
    参考文献29
    1 引言
    1.1 课题的研究背景及意义
    许多基础学科研究的障碍，首先就在于对研究对象相关信息的获取存在困难，而一些高灵敏度和高精度检测传感器的出现，则能提高对对象的获取能力，常有助于该研究领域内的技术发展。传感器技术在发展科学技术、推动社会进步等方面有着十分重要的作用，各个国家都十分重视传感器领域的研究 。
    石英晶体微天平(Quartz Crystal Micro-balance)的发展始于19世纪60年代，是一种新型的高灵敏度纳克级质量检测传感器，它主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成，是一套完整的检测系统 。石英晶体传感器也称为石英晶体谐振器，主要是由AT切型石英晶片以及固定在晶片表面的金属电极组成，一个称为激励电极，一个称为测量电极，一般将待测物质附着在测量电极表面。两电极通常由两个分别焊接在晶片两面的管座引脚导出，连接到测试仪器或谐振电路上。现在研究人员为描述简单一般常直接把石英晶体传感器也称为QCM。作为一种能够感应纳克级质量变化的高精度传感器，QCM具有灵敏度高、可实时监测等优点，可以在滤波、信号处理等系统中产生高频电子信号，实现检测和传感功能。因此，QCM在测量薄膜厚度、分析液体成分等方面得到了广泛的应用，同时能在电极表面镀上具有特异选择识别功能的膜材料，可吸附不同气体，使得其应用得到进一步的拓宽 。
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