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研究生:陳建宏
研究生(外文):Chieng-Hung Chen
論文名稱:單一石英振盪晶片於多成分物質感測之研究
論文名稱(外文):The study of single quartz crystal resonator detecting muticomponent
指導教授:凌漢辰
指導教授(外文):Han-Chern Ling
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:化學工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:96
中文關鍵詞:類神經網路計算單一石英振盪晶片感測器
外文關鍵詞:Artficial Neural NetworkSingle Quartz Crystal SensorNeural Network
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將高分子塗布在石英振盪晶片可藉由石英震盪晶片上荷重的改變造成的頻率變化而求得高分子吸收溶劑量對時間的變化。
我們使用數值方法模擬雙成分溶劑在高分子中之吸收曲線,藉以找出吸收曲線的特徵,並利用類神經網路計算判斷溶劑的成分。為了瞭解利用單一石英振盪晶片作為多成分物質感測器的可行性,以一系列不同擴散係數與平衡吸收量找出可行的範圍。

雖然對於擴散係數小的溶劑在高分子中擴散可能會需要很長的時間才會達平衡,而在本研究中並不需要使兩種溶劑在同時在高分子中擴散達平衡,而只需要讓擴散快的溶劑達平衡。以下面三種參數當成類神經網路的判斷條件;(a) 吸收曲線在剛吸收的極短時間內的斜率(第一斜率);(b) 其中某一溶劑擴散達平衡後的斜率(第二斜率);(c) 或是在設定時間的吸收量。研究結果發現除了在擴散係數與平衡吸收量呈反比的情況下,使用第二斜率與吸收量當成判斷條件都可達到不錯的結果,並以水與丙酮作為實驗系統驗證之。
The sorption curves of solvent in polymer can be obtained from the shift of resonance frequency of quartz crystal coated with polymer in contact with solvent vapor environment. In this study, we simulate sorption curves of several binary solvent systems by assuming perfect Fickian diffusion behaviors. Several characteristic values of sorption curves can be obtained, i.e., the initial slope, the second slope after the first solvent which diffuses faster reaches equilibrium, and the amount of sorption at a specified time. These values can be used to train the neural network (NN) to calculate the concentrations of solvents of a particular sorption curve.

We have studied the influence of the ratio of diffusion coefficients and the ratio of the equilibrium sorption amounts of solvent 1 to sol-vent 2 in the polymer films. It is found that the second slope and the amount of sorption at some specified time can be used to train the NN to yield satisfactory results except for the case when the solvent with lower equilibrium sorption amount diffuses faster.

Experiments are also carried out for water/acetone/PVAc (poly vinyl acetate) systems. It is found that solvent concentrations of the environment can be obtained by feeding the characteristic values of sorption curves to a well-trained NN.
第一章 緒論 1
1-1 研究目的 1
1-2 壓電性感測器 3
1-2-1 石英晶片 3
1-2-2 質量變化對石英晶片振盪頻率的影響 5
1-2-3 壓電性感測器在多成分物質感測之應用 8
1-3 由簡單的吸收理論來預先判斷實驗之可行性 12
1-3-1 Fickian Diffusion 12
1-3-2 三成分擴散理論 13
1-4 類神經網路計算法(Artificial Neural Network) 14
1-4-1 類神經網路的歷史 14
1-4-2 倒傳遞類神經網路模式 15
第二章 理論分析及可行性研究 18
2-1 模擬之吸收曲線 18
2-2 類神經網路架構的選擇 24
2-3 輸入網路學習點數的多寡對預測值的影響 30
2-4 在不同擴散係數比與不同的平衡吸收量比下輸入條件的選擇 34
2-4-1 擴散係數比100:1與平衡吸收量10:1 34
2-4-2 擴散係數比100:1與平衡吸收量1:1 36
2-4-3 擴散係數比100:1與平衡吸收量1:10 40
2-4-4 擴散係數比1:10與平衡吸收量10:1 44
2-4-5 擴散係數比1:10與平衡吸收量1:1 48
2-4-6 擴散係數比1:10與平衡吸收量1:10 52
2-4-7 結論 56
第三章 實驗部分 57
3-1 儀器與藥品 57
3-1-1 儀器部分 57
3-1-2 藥品部分 61
3-2 實驗方法與步驟 62
3-2-1 石英晶片之前處理 62
3-2-2 石英晶片上之高分子薄膜之製備 62
3-2-3 吸收實驗 63
第四章 結果與討論 64
4-1 壓力對震盪頻率的影響 64
4-2 擴散時間對實驗的影響 66
4-3 吸收實驗之數據與結果討論 68
4-3-1 吸收曲線 68
4-3-2 類神經網路預測結果 71
第五章 結論與未來展望 77
參考文獻 79
附錄 83
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