基于頻譜分析方法石英晶體微天平的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、QCM(Quartz Crystal Microbalance)是一種新型的高靈敏度質量傳感器,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、化學、環(huán)境監(jiān)測和航天航空等領域越來越受到關注。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的應用;同時由于QCM高頻振動的復雜性有時會發(fā)生振動耦合,破壞QCM振動

2、單一性,導致品質因素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結構進行了優(yōu)化設計,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、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)地總結了QCM的振動理論,分析了QCM不同振動模式間耦合產生的具體原因,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,從而對電極結構進行了優(yōu)化設計

4、,并提出了一種在晶片表面筑有平臺的設計方法,彌補了金電極不能過厚而導致能陷效應不佳的缺陷。 4、基于QCM的等效電路,推導了六種重要的諧振頻率公式,并結合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;通過對待測物質的機械阻抗的分析,給出了負載為剛性薄層和牛頓液體時的等效電路,為電路設計提供了理論依據。 5、當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,新穎的電路設計、規(guī)范的電極加工、獨特的夾具結構以及底層DSP軟件和上層PC機軟件的合理設計,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。其中,基于相關性原理QCM信號采集電路的設計,是硬件電路設計的重點,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

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