吳光鐘臺灣大學：應用力學研究所施宣寧Shih, Hsuan-NingHsuan-NingShih2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61898開發出高穩定性、靈敏性、快速性、便利性的生物檢測平台是所有從事相關生物檢測研究人員共同的理念。石英晶體微天平測量器 (QCM) 為一種高靈敏度、選擇性及穩定性之感測元件，近年來也成為一種廣泛研發之生物感測器。若能將QCM微型陣列化，便能大大提昇QCM的快速性，這對QCM在生醫檢測之應用會是一大進展。 本研究利用電腦輔助設計軟體（ANSYS）建立一套設計多通道石英晶體微天平測量器之方法，提供一套低成本且快速之設計研發方法。 除此之外，本論文同時利用微機電之製程方法在石英上做加工以解決石英震盪器不易微小化等之問題。並且將利用電腦輔助設計軟體所設計出的雙通道QCM給實體化，經由實驗驗證後，證實利用本研究所提出之設計方法可建構出一套可平行檢測生物樣本之多通道石英晶片。The desirable purpose of the bio-detective researchers is a highly stable, highly sensitive system that is high speed and easy to use. As Quartz crystal microbalance (QCM) satisfies all of the above-mentioned properties, it is now widely applied in many biotech analytic fields. This thesis sets up a method to pursue optimum design of array type QCM by using numerical packages (ANSYS) so as to provide a low cost and high efficiency design and development. In addition, two-channel QCM was fabricated by using microfabrication technology in order to circumvent the difficultly in fabricating miniature devices on quartz substrate by using traditional manufacturing methodologies,. After systematic testing, it is verified that the methods developed in this thesis can lead to the successful development of a miniature array type bio-QCM sensor system.誌謝 i 摘要 iii Abstract iv 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 ix 第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 3 第2章 微天平石英震盪器（QCM）之原理與特性 5 2.1 壓電效應與壓電方程式 5 2.1.1 壓電效應 5 2.1.1.1 正壓電效應（direct piezoelectric effect） 6 2.1.1.2 逆壓電效應（inverse piezoelectric effect） 6 2.1.2 壓電方程式 7 2.1.2.1 壓電材料 7 2.1.2.2 本構方程式 8 2.2 石英晶體結構特性 9 2.2.1 石英簡介 9 2.2.2 AT CUT石英材料參數 11 2.3 QCM原理 17 2.3.1 基本概念 17 2.3.2 機電耦合因數（Electromechanical Coupling Factor） 18 2.3.3 等效電路 19 2.3.4 機械品質因數(Mechanical Quality Factor) 21 2.3.5 三維空間振動系統 21 2.3.5.1 矩形平板 21 2.3.5.2 圓形平板 23 2.3.6 能陷理論(Theory of Energy Trapping) 24 2.3.7 質量效應 26 2.4 石英平板振盪器之運動方程式 29 2.4.1 二維石英運動方程式[29] 29 2.4.2 二維含電極之石英運動方程式[31] 34 第3章 振動模態之有限元素法分析 36 3.1 簡介 36 3.2 AT-CUT石英晶體之振動模態與簡諧運動分析 37 3.3 QCM振動模態分析 42 3.3.1 簡化模型 42 3.3.2 QCM之特性分析 47 3.3.2.1 電極大小的影響 48 3.3.2.2 電極位置的影響 51 3.4 陣列式QCM振動模態分析 53 3.4.1 簡化模型 53 3.4.2 最佳化設計 56 第4章 陣列式QCM製作 61 4.1 陣列式QCM設計 61 4.1.1 光罩設計與製作 61 4.2 微影技術 62 4.2.1 光阻製程 62 4.2.1.1 前言 62 4.2.1.2 光阻塗佈 63 4.2.1.3 軟烤（soft bake） 64 4.2.1.4 曝光 64 4.2.1.5 顯影 65 4.2.1.6 硬烤 66 4.2.1.7 光阻去除 66 4.2.2 蝕刻製程 66 4.2.2.1 濕式蝕刻 68 4.2.2.2 乾式蝕刻 68 4.3 陣列式QCM製作流程 70 4.3.1 晶片之清潔 73 4.3.2 蒸鍍電極薄膜 73 4.3.3 微影製程 74 4.3.4 鉻/金之蝕刻 76 4.3.5 濕蝕刻石英 78 4.4 實驗量測與結果 84 4.4.1 實驗架構與量測 84 4.4.2 實驗結果與討論 87 4.4.2.1 大電極部份 87 4.4.2.2 小電極部份 89 第5章 結論與未來展望 91 5.1 結論 91 5.2 未來展望 92 Reference 932684141 bytesapplication/pdfen-US石英晶體有限元素法陣列式QCMANSYSarraythesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61898/1/ntu-96-R94543012-1.pdf