·302· 工程科学学报，第39卷，第2期 压电传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高 模拟了SAW设备的行为.Wingqvist等[)研究了具有 等优势，被广泛应用于工程力学、生物医学、测量勘探 一定蛋白膜厚度的薄膜体声谐振器(ilm bulk acoustic 和无损检测、环境监测等领域. resonator,FBAR)的共振频率响应.傅均等[]研究了 一般而言，依据表面所修饰的薄膜材料种类，新型 不同湿度环境下的具有聚氨苯/TO,结构的石英晶体 石英压电传感器主要分为三类：通过蒸镀法制备的金 微天平气体传感器的振动行为.Tan等6研究了因质 属及金属氧化物材料(TO,[)薄膜型新型石英压电传 量效应、材料性质引起的石英晶体微天平型传感器的 感器、通过分子印迹法制备的生物活性材料（蛋白质、 频率变化情况.Martin等[n]讨论了晶体的表面粗糙度 酶、抗体等5-])薄膜型新型石英压电传感器和通过相 对石英压电传感器黏度、密度响应的影响.本文建立 转化法制备的聚合物材料（三聚氰胺）]、聚苯胺/氧化 了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度影响、 钢复合薄膜[])薄膜型新型石英压电传感器.聚合物 中心缺陷的复杂条件下力学模型，基于ANSYS有限元 材料薄膜型新型石英压电传感器因其价格低廉、稳定 软件对其进行模态分析，从中提取1~10阶的振动模 性好成为其中应用最为广泛的一种.聚合物材料薄膜 态及频率进行分析，结果为制备稳定的新型聚合物石 型新型石英压电传感器的制备中，需要通过复杂方法 英压电传感器提供了一个重要依据. 预先准备成膜剂，并在液体环境下成膜剂生长成膜，薄 1石英晶体微天平原理 膜生长缓慢且对制膜技术要求高，严重制约其大规模 应用.基于“真空电子束色散(electron beam vacuum 新型聚合物石英压电传感器的设计基于石英晶体 dispersion,EBVD)镀膜”技术[9]，我们开发出一种聚合 微天平检测原理，依据Sauerbrey方程(1)： 物薄膜快速制备方法，实现了一种具有聚合物薄膜/ AT切型石英压电传感器/聚合物薄膜三层复合结构的 4ys、64m NPA (1) 新型聚合物石英压电传感器[0-)的快速制备.然而， 式中，△为新型聚合物石英压电传感器频率变化值，6 新型聚合物石英压电传感器制备过程中，由于AT切 为石英晶体微天平的固有频率，p是石英的密度，△m 型石英压电传感器表面粗糙度和界面化学性质对聚合 是新型聚合物石英压电传感器表面吸附质量的变化 物薄膜生长的影响[口)，聚合物薄膜不可避免的存在薄 值，A是石英晶体具有压电活性的表面积，N为与石英 膜厚度不均匀、尺寸缺陷等现象，这对新型聚合物石英 晶体切型有关的石英晶体频率常数，新型聚合物石英 压电传感器工作频率稳定性产生影响，为传感器的准 压电传感器中所使用的AT切型石英晶体：N=1.67× 确测量带来了困难. 105 Hz.cm. 实验数据表明[]，新型石英压电传感器表面所修 2新型聚合物石英压电传感器及其力学 饰的薄膜结构是传感器频率稳定性的重要影响因素之 模型 一，薄膜厚度、均匀度等直接决定着传感器频率的灵敏 度和精确度，薄膜涂层越稳定，传感器的噪音水平就越 2.1新型聚合物石英压电传感器 低，敏感极限就越高.针对薄膜厚度不均匀、尺寸缺陷 基于石英晶体微天平原理，我们利用具有压电效 等的现象，国内外诸多专家学者对相关问题开展了研 应的AT切型石英压电传感器（广州晶洋电子生产，如 究.Francis等I)对声表面波传感器(surface acoustic 图1所示)作为基体，利用真空电子束色散镀膜技 wave,SAWT)受表面膜层的密度、厚度和黏度的影响进 术在其表面蒸镀具有吸-脱附作用的聚合物薄膜涂 行了分析，他们通过对温度引起的聚合物构象变化来 层，制备出一种新型聚合物石英压电传感器. ①一银电极：②一石英品片：③一银电极 图1石英压电传感器结构图 Fig.I Quartz piezoelectric sensor structure工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 压电传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高 等优势,被广泛应用于工程力学、生物医学、测量勘探 和无损检测、环境监测等领域. 一般而言,依据表面所修饰的薄膜材料种类,新型 石英压电传感器主要分为三类:通过蒸镀法制备的金 属及金属氧化物材料(TO2 [4] )薄膜型新型石英压电传 感器、通过分子印迹法制备的生物活性材料(蛋白质、 酶、抗体等[5鄄鄄6] )薄膜型新型石英压电传感器和通过相 转化法制备的聚合物材料(三聚氰胺[7] 、聚苯胺/ 氧化 铟复合薄膜[8] )薄膜型新型石英压电传感器. 聚合物 材料薄膜型新型石英压电传感器因其价格低廉、稳定 性好成为其中应用最为广泛的一种. 聚合物材料薄膜 型新型石英压电传感器的制备中,需要通过复杂方法 预先准备成膜剂,并在液体环境下成膜剂生长成膜,薄 膜生长缓慢且对制膜技术要求高,严重制约其大规模 应用. 基于“真空电子束色散( electron beam vacuum dispersion,EBVD)镀膜冶技术[9] ,我们开发出一种聚合 物薄膜快速制备方法,实现了一种具有聚合物薄膜/ AT 切型石英压电传感器/ 聚合物薄膜三层复合结构的 新型聚合物石英压电传感器[10鄄鄄11] 的快速制备. 然而, 新型聚合物石英压电传感器制备过程中,由于 AT 切 型石英压电传感器表面粗糙度和界面化学性质对聚合 物薄膜生长的影响[12] ,聚合物薄膜不可避免的存在薄 膜厚度不均匀、尺寸缺陷等现象,这对新型聚合物石英 压电传感器工作频率稳定性产生影响,为传感器的准 确测量带来了困难. 淤—银电极;于—石英晶片;盂—银电极 图 1 石英压电传感器结构图 Fig. 1 Quartz piezoelectric sensor structure 实验数据表明[9] ,新型石英压电传感器表面所修 饰的薄膜结构是传感器频率稳定性的重要影响因素之 一,薄膜厚度、均匀度等直接决定着传感器频率的灵敏 度和精确度,薄膜涂层越稳定,传感器的噪音水平就越 低,敏感极限就越高. 针对薄膜厚度不均匀、尺寸缺陷 等的现象,国内外诸多专家学者对相关问题开展了研 究. Francis 等[13] 对声表面波传感器( surface acoustic wave,SAW)受表面膜层的密度、厚度和黏度的影响进 行了分析,他们通过对温度引起的聚合物构象变化来 模拟了 SAW 设备的行为. Wingqvist 等[14] 研究了具有 一定蛋白膜厚度的薄膜体声谐振器( film bulk acoustic resonator,FBAR) 的共振频率响应. 傅均等[15] 研究了 不同湿度环境下的具有聚氨苯/ TiO2 结构的石英晶体 微天平气体传感器的振动行为. Tan 等[16]研究了因质 量效应、材料性质引起的石英晶体微天平型传感器的 频率变化情况. Martin 等[17]讨论了晶体的表面粗糙度 对石英压电传感器黏度、密度响应的影响. 本文建立 了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度影响、 中心缺陷的复杂条件下力学模型,基于 ANSYS 有限元 软件对其进行模态分析,从中提取 1 ~ 10 阶的振动模 态及频率进行分析,结果为制备稳定的新型聚合物石 英压电传感器提供了一个重要依据. 1 石英晶体微天平原理 新型聚合物石英压电传感器的设计基于石英晶体 微天平检测原理,依据 Sauerbrey 方程(1): 驻f = - f 2 0驻m N籽A . (1) 式中,驻f 为新型聚合物石英压电传感器频率变化值,f 0 为石英晶体微天平的固有频率,籽 是石英的密度,驻m 是新型聚合物石英压电传感器表面吸附质量的变化 值,A 是石英晶体具有压电活性的表面积,N 为与石英 晶体切型有关的石英晶体频率常数,新型聚合物石英 压电传感器中所使用的 AT 切型石英晶体:N = 1郾 67 伊 10 5 Hz·cm. 2 新型聚合物石英压电传感器及其力学 模型 2郾 1 新型聚合物石英压电传感器 基于石英晶体微天平原理,我们利用具有压电效 应的 AT 切型石英压电传感器(广州晶洋电子生产,如 图 1 所示)作为基体,利用真空电子束色散镀膜[5] 技 术在其表面蒸镀具有吸鄄鄄 脱附作用的聚合物薄膜涂 层,制备出一种新型聚合物石英压电传感器. ·302·