谐振式液位传感器的研究

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谐振式石英晶体传感器被广泛应用于科技的各个领域,具有很高的灵敏度和精度、结构简单、寿命长、功耗低、环境适应能力强等优点,是一种低成本的检测器件。压电石英晶体传感器被广泛用于气体的气相分析以及液体的液相分析中去,渗透到表面化学、应用化学、生物化学、微生物元素检测等领域中去。石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance)是利用石英晶体对晶体表面质量的敏感,利用逆压电效应,将质量变化转换成频率变化,实现气相或液相特性的检测。石英谐振式质量敏感传感器的电极设计对传感器的性能参数、晶体检测出的共振频率的影响较大,所以为实现特定功能的电极的尺寸设计显得尤为重要。本文主要的研究方向是石英晶振液位传感器的研究,主要利用了真空镀膜的方式,对设计好的石英晶体进行铝膜的蒸镀。依据QCM传感器的原理,对石英晶体基频振动模式进行了数学模型分析以及等效电路模型分析。通过数学模型的分析得到传感器频率与液体密度、粘度、质量的关系。进一步对石英晶体液位传感器的设计和制备提供了坚实的理论基础。本文对石英晶体传感器制备工艺以及电极设计进行了研究。在蒸镀之前,利用软件对蒸镀形状进行了设计,并经行了掩膜板的机械加工,利用加工好的掩膜板,对石英晶体进行被电极。在蒸镀过程中,主要采用电阻丝加热方式,在铝熔点的范围内,分别镀不同厚度的薄膜。电极的尺寸和形状主要设计了不同种类。通过不同形状的电极,对石英晶体传感器的频率特性进行分析,得出最优电极。主要针对电极半径、厚度、形状,设立了对比试验。此外,对电极双面的尺寸差异也设立了对比试验。对不同粘度、密度的液体进行了测量。对进行真空蒸镀的薄膜进行了表面形貌的分析。从两个方面对所做实验进行比较分析,主要针对本征频率相同的谐振器进行不同液体的谐振频谱图的测量,针对不同标称频率的谐振器进行墨水的谐振频谱图的测量。从理论、工艺以及测量方面,对进一步研究设计高质量的谐振石英晶体液位传感器提供了依据。
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