微膜生化感測器在液態介質中的動態力學性能研究

《微膜生化感測器在液態介質中的動態力學性能研究》是依託山東大學，由周慎傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微膜生化感測器在液態介質中的動態力學性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周慎傑
• 依託單位：山東大學

中文摘要

微構件尺寸效應、殘餘應力、介質、吸附物等都對微膜感測器的動力學性能有著重要的影響。在本項目中，針對諧振式微膜感測器中的動力學問題，考慮微膜的尺寸效應和液態生化介質的耦合作用，開展微膜感測器動態力學性能研究。在理論上，建立可描述微膜尺寸效應和殘餘應力影響的微膜動力學理論模型，揭示特徵尺寸、殘餘應力對微膜動力學特性的影響規律，進而研究液體中微膜動力學特性，探討微膜在液態介質中振動過程的能量耗散機理及阻尼特性；在數值方法上，建立描述尺寸效應和殘餘應力影響的微膜理論數值分析方法，並發展單膜片和陣列膜片微膜生化感測器的動力學特能數值模擬技術，模擬分析微膜生化感測器的動態檢測性能。研究成果可為微膜生化感測器的最佳化設計、檢測和控制提供依據

結題摘要

微膜作為諧振器感測器的換能器件，其動力學性能對感測器的檢測性能起著決定性作用。然而，微環境條件下，微膜的動力學性能存在著明顯的尺寸效應。在本項目中，對刻畫微構件尺寸效應的基本理論及表面效應、介質、吸附物等因素對微膜靜動態力學性能的影響進行了系統研究。項目研究工作取得主要成果包括：通過將應變梯度張量及其功共軛的高階應力張量分解成兩組4個正交分量，從理論上證明了各向同性材料獨立的尺度參量個數僅有3個，解決了應變梯度理本構關係的基本理論問題，提出了一種尺度參量獨立的各向同性應變梯度彈性理論；將獨立分量形式的應變梯度理論拓展於各向同性電介質的撓曲電問題，分析了撓曲電效應中的力電耦合關係，建立了一種高階分量獨立形式的撓曲電彈性理論，為研究撓曲電效應產生機制奠定了理論基礎；套用應變梯度理論，建立了描述微膜靜動態性能尺寸效應的理論模型，分析了微膜靜動態性能對特徵尺寸的依賴性；建立了反映表面效應、殘餘應力及吸附物影響的微膜動力學模型，探明了上下表面不同效應、殘餘應力及吸附物對微膜自振特性、敏感性的影響規律，並與勢流體模型耦合，建立了液體中微膜的流固耦合動力學模型，分析了微膜液體中振動的聲輻射能量耗散特性，探討了液體對微膜品質因素的影響及品質因素的尺寸依賴性；對於中性軸（面）不可預知的彎曲變形，提出了一種含未知偏移量的位移模式，用位移變分法，建立了常規材料層合和含壓電層合的微梁、微膜動力學模型，系統探討了層合微梁和微膜的自振特性及其尺寸依賴性，考慮聲輻射耗散和壓電遲滯耗散，給出了微膜品質因素的預測模型，得到了與實驗測試結果相吻合預測結果。應變梯度理論和撓曲電理論的成果為深入研究微結構尺寸效應和電介質構件力電耦合問題奠定了理論基礎，微膜動力學性能的研究成果可為微膜感測器設計、檢測與控制提供了理論依據。