吳光鐘Wu, Kuang-Chong臺灣大學:應用力學研究所杜炎勳Du, Yan-shiunYan-shiunDu2010-06-022018-06-292010-06-022018-06-292008U0001-0407200810190300http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/184719本文主要分成兩部份，第一部分討論QCM的平台設計(mesa design)的相關研究與階梯設計(step design)的反耦合效應，第二部份將討論雙電極QCM的設計。 QCM於正常工作時，大部份能量應集中在電極區下方，但在特定幾何尺寸下QCM的能量集中效應會有大幅減少的現象。當此現象發生時，量測工作會產生頻率漂移與不準確性。在本論文中，我們採用有限元素法與Mindlin梁理論去分析在此尺寸下的QCM振動，由結果顯示彎曲波是造成QCM能量不集中的主因。接下來再進一步討論階梯平台設計對剪力波與彎曲波的反耦合效應。 當操作雙電極QCM時，兩電極彼此會相互影響，使得兩者的量測工作會受到干擾，產生其不準確性。本文的主要目地就是將平台設計應用到雙電極QCM上，增加個別工作電極的能量井效應，增加量測時的準確性與穩定度，並嘗試尋找其最佳化設計。The principle of the QCM design is based on the energy trapping phenomena of the quartz. But under certain specific geometries of QCM, the energy trapping effect ratio will diminish abruptly and the measurement accuracy will be decreased appreciably under those geometries. In this study we used finite element method and the Mindlin beam theory to analyze the geometry under which such a phenomenon occurs. It is shown that the flexural wave is the main reason for the loss of energy trapping. We further discuss the wave decoupling ability of stepped mesa design and how this improves the characteristics of bi-mesa resonators. In the model of multi-channel QCM, the electrodes will interfere each other during operation and the measurement accuracy is reduced. Here, we applied the mesa design to the multi-channel QCM so that the energy trapping effect ratio could be increased. We further compared the efficiency between the conventional multi-channel QCM and the multi-channel QCM with mesa design.致謝 I文摘要 II文摘要 III一章 導論 1-1研究目的與動機 1-2文獻回顧 2二章 基礎理論 5-1壓電材料性質簡介 5-1.1統馭方程式(governing equation) 5-1.2壓電材料組成律 6-2 QCM的基本工作原理 8-3 能量井效應(Energy Trapping Effect) 12-4平台型設計(mesa design) 14-5 ABAQUS模擬條件 16三章 2D單電極樑理論分析與ABAQUS模擬結果比較 17-1 2-D 平台設計QCM之振動分析 17-2平台設計與能量井效應之關係 25-3剪力波(TS)與彎曲波(F)之耦合效應 29-4 2D單電極之質量效應比較 31四章 雙電極模擬結果和比較 32-1 2-D雙電極之模擬 33-2劈裂頻率 35-3平台設計造成的影響 37-4雙電極QCM之共振頻率在不同電極間距離之下的影響 39-5雙電極QCM在不同電極尺寸下的變化 40-6 QCM-C吸附物質量對QCM-A之影響 43五章 結論與未來展望 45-1模擬結果討論 45-2未來展望 47考文獻 48錄A AT-cut石英晶體材料常數 51 目 錄2- 1 QCM示意圖 82- 2石英晶體剪力變形示意圖 92- 3石英厚度剪切模態示意圖 92- 4石英晶體之駐波示意圖 92- 5 AT-CUT石英晶體頻散曲線圖[5] 122- 6平台設計QCM示意圖 142- 7 QCM非電極區在平台設計前後之頻散曲線圖 143- 1平台設計之QCM示意圖 183- 2平台設計與階梯設計QCM模型示意圖 253- 3平台高度之能量井效應比較 263- 4非掉落點和掉落點發生時X方向和Y方向位移比較 283- 5 2-D單電極QCM各頻率分佈圖 293- 6 2-D單電極QCM在強耦合區之各頻率分佈放大圖 303- 7單電極QCM在不同電極區厚度之質量效應比較 314- 1平台設計與階梯設計雙電極QCM示意圖 324- 2雙電極QCM平行共振與反平行共振示意圖 344- 3兩電極完全相同之平行與反平行共振頻率與電極間距離關係 354- 4各種平台設計之劈裂頻率與電極間距離關係 364- 5各種平台設計雙電極QCM之位移變化 374- 6各種平台設計雙電極QCM，兩電極之頻率變化量 394- 7傳統雙電極QCM，QCM-A之頻率變化量(HA=HC=H) 404- 8雙電極QCM其基頻剪力波振動與高階剪力波振動示意圖 414- 9雙電極QCM，QCM-A之頻率變化量 424- 10 QCM-A受QCM-C之質量效應變化 434- 11雙電極QCM，QCM-A之質量效應變化 44application/pdf2702773 bytesapplication/pdfen-US雙電極石英晶體微天平壓電材料能量井效應平台設計有限元素分析模擬multi-channel quartz crystal microbalancepiezoelectric materialenergy trapping effectmesa designfinite element method analysisthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/184719/1/ntu-97-R95543009-1.pdf