石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance,QCM）是一种能够将被测物质的物理属性（比如质量、密度、粘度和电导率等）转变为等效谐振参数的高灵敏度传感器。极高的灵敏度和实时在线检测等诸多优点使得QCM在材料表征、环境检测、医学诊断和食品检验等科学领域具有非常广泛的应用。本文以高灵敏度QCM传感器为研究对象,以其材料物理特性和振动特性为理论基础,深入研究液相负载和粘弹性负载下QCM响应特性,揭示了QCM的内在敏感机理,建立了能够精确描述液相负载和粘弹性负载下QCM响应特性的理论模型。本文的主要研究工作和创新点如下:1.以石英晶体压电本构方程为基础,通过对QCM传感器不同电极区域振动情况的研究,提出了一种质量灵敏度函数计算和有限元仿真相结合的质量灵敏度获取方法,从本质上揭示了QCM的内在质量敏感机理。2.利用有限元方法对多孔圆形电极QCM的质量灵敏度进行仿真分析,然后采用定制的多孔掩膜板以电镀方式制备多孔圆形电极QCM,并通过气体实验对实心圆形电极和多孔圆形电极QCM的质量灵敏度进行验证。实验结果表明多孔圆形电极QCM的积分等效灵敏度比实心圆形电极QCM高,这一工作为通过改变电极形状提高灵敏度提供了有益的参考。而针对特定异形电极难以通过传统方式加工的问题,进行了激光刻蚀电极修调技术的可行性实验。3.在液相应用环境中,通过深入研究经典Kanazawa模型和Martin修正BVD模型,发现频率响应与液体密度粘度乘积相关,导致不能分离待测液体的密度和粘度。针对该问题,本文提出了使用单个QCM对未知液体密度粘度测量方法,并用实验验证了该方法的有效性。4.为了研究粘弹性负载下的QCM响应特性,利用石英压电本构方程结合边界条件推导了粘弹性负载吸附的QCM等效电路模型。后续仿真分析表明,本文推导的粘弹性负载吸附的QCM等效电路模型与经典QCM-D模型具有非常好的吻合性。在此基础上,本文设计血液粘度测试实验验证了粘弹性负载吸附的QCM等效电路模型的有效性和实用性。最后,针对经典QCM-D模型通过瞬时脉冲激励法进行耗散因子的测量容易受到外界的微小干扰的问题,结合耗散因子与品质因数的关系,提出一种稳态测量方法。综上所述,本文在对QCM质量敏感机理、液体负载和粘弹性负载下QCM响应分析深入研究的基础上,首先设计出质量灵敏度比实心圆形电极QCM高的多孔圆形电极QCM;其次,在液相检测应用中,提出了利用单个QCM对未知液体密度和粘度进行分离的测量方法,并用实验验证了方法的有效性;此外,推导出粘弹性负载下的QCM等效电路分析模型,并通过与QCM-D比较以及血液粘度测量实验验证了该模型的正确性。最后,针对耗散因子的瞬时测量容易受到微小干扰带来误差的问题,提出耗散因子的稳态测量方法。本文的研究对推动QCM传感技术在液体检测领域和粘弹性薄膜检测领域中的广泛应用具有积极意义。