双谐振石英晶体微天平文献综述

1. 石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)是一种厚度剪切型体声波换能器，广泛应用于物理、化学和生物传感领域。QCM器件来源于压电石英晶体谐振器，该谐振器在厚度剪切模式(TSM)下机电共振。石英晶体的共振特性会受到外界物理载荷的影响，从而通过石英晶体谐振频率的变化测量晶体表面微小的重力载荷或粘弹性载荷的变化。结合质量和粘弹性效应，QCM可以应用于物理/生物/化学传感领域，包括气味传感器、电化学传感器、免疫传感器、液体多成分分析以及其他各种应用。QCM在传感领域具有灵敏度高、稳定性好、响应快、成本低等优点，此外，它还为生物传感器应用提供无标签检测能力。QCM研究领域前景光明，值得进一步研究与探索。

   采用单一QCM进行测量面临着一个主要的技术缺陷，即在液相中应用时，液体的粘度和密度受到温度的影响较大，从而导致测量结果不够精准。采用在单个石英基片上集成参考QCM和传感QCM的双通道QCM方案可以更有效地减小环境效应。但是这种方法会在两个QCM之间产生严重的振动耦合干扰问题，因此分别从两个通道之间的间距、两个电极的相对大小以及石英基片结构等角度综合避免和接触通道之间的耦合尤为重要。

   1. 选题背景和意义：
   2. 课题关键问题及难点：
   3. 关键问题
   4. 熟悉并了解石英晶体微天平的基本原理，为方案设计做准备。
   5. 熟悉并了解双通道石英晶体微天平中两个谐振单元之间的振动耦合原理。
   6. 掌握从仿真中判断两个谐振单元之间的振动耦合情况。
   7. 确定双通道石英晶体微天平的结构方案。
   8. 完成芯片加工并采用流动注射系统对芯片进行测试。
   9. 难点
   10. 双通道石英晶体微天平的结构方案设计。
   11. 流通池的结构设计。
   12. 测试系统设计。
   文献综述（或调研报告）：

QCM是一种先进传感测量技术，其在传感领域中灵敏度高、稳定性好、响应迅速、制作成本低等优点彰显其光明的应用前景。其中，将多个QCM集成于一片石英基片的MQCM方案受到极大的关注，因为这种设计能够有效减小环境效应。目前对于MQCM的研究主要分为理论研究和应用研究两个方面。理论研究主要集中于作为MQCM的一种简化模型——双通道QCM方案的研究，如何解除两个谐振单元之间的振动耦合是研究的关键问题；应用研究主要设计物理/化学/生物领域，其中，电子鼻是最为成熟的实际应用，而电子舌和生物传感器阵列等应用尚处于发展初期，因此MQCM是一个很有前途的研究领域，值得进一步探索。

1、理论研究

S. Berg等人在交换外部负载下，通过测量两个QCM的阻抗来实验检查两个相邻QCM之间的干扰，并使用电等效电路来建模和描述响应。S.J. Martin和R.W. Cernosek分别将基于巴特沃斯-范戴克（BVD）模型和传输线表示的等效电路有效用于QCM的测量分析。电路建模可以为实验观测提供良好的估计和预测。然而，由于忽略了电极层的模式耦合和能量俘获等一些重要的力学特性，无法给出干扰行为与物理参数之间的物理理解和关联。理论计算可以为MQCM的干涉效应提供深刻的理解，可用于指导MQCM的设计，由于三维几何结构(如电极层的边缘效应和电极相对于石英衬底的晶体学取向)不能直接包含在分析中，因此无法对真实世界中的三维MQCM结构提供准确的预测。

为了更精确地设计和分析MQCM器件，F. Lu等人对MQCM结构进行3D仿真。与一维理论建模相比，三维有限元模拟可以提供更多的定量信息。除频率干扰、自质量灵敏度和互质量灵敏度外，还可以通过三维模拟得到电极对的振动模态形状和晶体学取向。

为了减小甚至消除传统MQCM结构的相邻谐振单元之间的干扰问题，研究者发现对石英基片结构的改进是最有效的途径。其中，平面台型、球面凸型（3）和非电极基片区域x轴反转设计是三种最主流的结构设计形式。所有改进石英基片MQCM结构的共同优点是低干扰，允许大阵列尺寸和高阵列密度。此外，由于活性石英层厚度的减小，倒置台面结构具有更高的谐振频率和质量灵敏度，而凸-台型结构和双台型结构可以分别减小TS-TF和TS扩展模式耦合。然而，改进石英基片的MQCM结构由于涉及深刻蚀、热处理和电极排列等复杂的加工工艺，目前还没有得到广泛的应用。特别是，所有的双结构很少被报道，因为非常复杂的双面处理和不兼容流动注射系统。在改性石英基MQCM中，平面-倒置台面同时具有低干扰、高共振频率、高质量灵敏度和与流动注射系统相容性等优点，是目前报道最为频繁的结构形式，但其制备并不比同类产品困难，采用适当的设计可以使其频率模态耦合最小化。

2、应用研究

QCM阵列可以不同地形成为各种MQCM传感平台，用于各种类型的传感或测量应用。MQCM传感平台主要有作为静态多通道探测器的MQCM、作为多通道检测器的MQCM系列和作为多灵敏度多动态范围探测器的多频MQCM。作为静态多通道探测器的MQCM主要应用类别是多组分分析，用于识别具有各自浓度的多组分混合物和/或其成分。作为多通道检测器的MQCM系列主要应用与液体流动分析以进行实时检测。J. Rabe等人在20 mmtimes;20 mmtimes;0.7 mm方腔中采用倒置台面MQCM的流动注射系统，并研究了流速对分析物分布均匀性和QCM共振的影响。结果表明，流量对QCM的共振行为有很大的影响。此外，在低流速和高流速条件下发现的杂散振荡模式和不希望的振荡可以在500mu;Ls的最佳流速下最小化。因此，当MQCM在流动注射系统中运行时，流量是另一个必须优化的重要参数。多灵敏度、多动态范围的QCM在化学传感、生物传感和包括电化学反应在内的表面过程监测等领域有着广泛的应用。此外，阵列中的QCM对可以用不同的受体进行修饰，以进行多灵敏度和/或多动态范围的多组分分析。