基于頻譜分析方法石英晶體微天平的研究.pdf

1、QCM(Quartz Crystal Microbalance)是一種新型的高靈敏度質(zhì)量傳感器，由于其具有測量精度高、穩(wěn)定性好、體積小和工作溫度范圍廣等優(yōu)點，在生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和航天航空等領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。然而目前對QCM的實現(xiàn)方式主要是通過振蕩電路的方法，此方法所能測量的信息量少(一般只能測量串聯(lián)諧振頻率)且在大阻尼液體中常會發(fā)生停振現(xiàn)象，局限了QCM的應(yīng)用；同時由于QCM高頻振動的復(fù)雜性有時會發(fā)生振動耦合，破壞QCM振動

2、單一性，導(dǎo)致品質(zhì)因素Q值降低，諧振頻率偏移。針對上述問題，本文另辟蹊徑，提出了一種新型的實現(xiàn)QCM頻譜分析的方法，并自主實現(xiàn)了軟硬件實驗平臺，不但突破了自激振蕩電路所測得信息量小的缺陷，而且還避免了在大阻尼溶液中停振現(xiàn)象的發(fā)生；同時基于能陷理論和有限元分析對QCM結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，為有效抑制振動耦合、減小非電極區(qū)振動能量的損耗提供了一條有益的思路。 作為國家創(chuàng)新基金項目“石英晶體微天平”(立項代碼：06C26222200129

3、)的重要組成部分，本文的主要內(nèi)容包括： 1、系統(tǒng)地回顧了QCM的歷史背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并著重論述了QCM的理論基礎(chǔ)、工作原理和實現(xiàn)方法，進而分析了QCM頻譜分析方法的獨特優(yōu)點。 2、系統(tǒng)地總結(jié)了QCM的振動理論，分析了QCM不同振動模式間耦合產(chǎn)生的具體原因，并給出了本文抑制耦合的具體措施。 3、基于能陷理論與有限元分析，研究了電極厚度、半徑等尺寸對QCM振動位移分布的影響趨勢，從而對電極結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計

4、，并提出了一種在晶片表面筑有平臺的設(shè)計方法，彌補了金電極不能過厚而導(dǎo)致能陷效應(yīng)不佳的缺陷。 4、基于QCM的等效電路，推導(dǎo)了六種重要的諧振頻率公式，并結(jié)合MATLAB仿真，分析了等效元件對頻譜曲線的影響，指出了其變化規(guī)律；通過對待測物質(zhì)的機械阻抗的分析，給出了負(fù)載為剛性薄層和牛頓液體時的等效電路，為電路設(shè)計提供了理論依據(jù)。 5、當(dāng)QCM理論精度達ng級時，QCM等效動態(tài)電感的變化只有nH級左右，其有用微弱信號便會淹沒在高

5、頻輸出信號中，因而設(shè)計一個高效合理的軟硬件平臺就顯得格外重要。在本文中，新穎的電路設(shè)計、規(guī)范的電極加工、獨特的夾具結(jié)構(gòu)以及底層DSP軟件和上層PC機軟件的合理設(shè)計，共同為QCM穩(wěn)定工作及信號的正確獲取奠定了良好的基礎(chǔ)。其中，基于相關(guān)性原理QCM信號采集電路的設(shè)計，是硬件電路設(shè)計的重點，并申報了兩項專利，現(xiàn)已正式獲得實用新型專利(實用新型專利號：ZL200320124230.6；發(fā)明專利受理號：200310112847．0)。 6