QCM传感器信号采集系统硬件电路的设计+PCB电路图(2)
结 论 29
致 谢 30
1 绪论
1.1引言
当今社会科学技术的飞速发展，人们在研究自然科学的过程中对物质质量的测量精度的要求变得越来越高。由于石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，简称QCM)的灵敏度较高，还有它可达到纳克级(即10-9g)的测量的精度，并且由于它的结构比较简单，制作成本较为低廉等优点，因此在众多微质量测量检测仪器中脱颖而出，受到了该领域科研工作者越来越多的关注和重视，并被广泛应用于生物、环境科学、化学、表面科学、医学和物理等领域中[1]。
1.2 QCM概述
石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance－QCM）的发展始于上世纪60年代初期，它作为一种新型的微质量测量仪器有着灵敏度高、测量精度高等特点，在理论上来说它的测量精度可以达到纳克级，即其测到的物质质量的变化大小相当于原子层或者单分子层的几分之一。
1959 年 德国物理学家Sauerbrey [2]在研究了气相中的石英晶体表面吸附物质量和频率偏移的关系，并且得出了QCM的谐振频率的变化量△F与其吸附物的质量的变化量△M成正比的结论。这一结论为QCM传感器的后继研究奠定了基础。
在20世纪90年代以后，随着对QCM传感器的深入研究，QCM 的应用也深入到了液相之中,其主要在生物、化学等领域的检测中应用。1982年Nonura[3]等人研究了液体中QCM的频率响应情况,并率先提出了可以在液相中驱动QCM振动的电路,并根据实验观测验证，给出了关于晶体的频率变化与液体的密度和粘度的平方根的公式,这一举措直接将QCM的应用扩展到了液相之中。
石英晶体微天平的用途不同，因此它的其他组成部分可以根据实际测量需要和在实际的仪器中的需求而选用或联用。QCM的构成还包括振荡电路、频率计数器、计算机系统等；而电化学石英晶体微天平除了这些基本设备还包括了恒电位仪和电极等。
1.3国内外研究现状
1.4本文主要工作
石英晶体微天平（QCM）是通过利用了石英晶体的压电特性，将石英晶谐振器的振电极表面质量的变化进而转化为石英晶体振荡电路所输出电信号频率的变化，再通过计算机等一些辅助设备来获得取精度较高的数据。但是传感器的有用信号在采集与测量过程中，由于有用信号一般来讲是非常微弱的，并且伴随有大量噪声，往往有用信号会被噪声干扰而湮没，导致采集不到有用的信号。因此本文针对这一情况设计具有性能稳定和精度高的QCM传感器信号采集系统硬件电路。
2 QCM的基本工作原理
2.1 QCM的压电特性
QCM传感器是利用石英晶体的压电效应来实现传感信号测量的。即当石英晶体的表面在施加一定的压力时会发生形变，此时石英晶体两表面之间产生电压，而电压值大小则与压力的大小成正比，这就是晶体的压电效应。反之，当在有交变电压加在晶体上时，晶体就会产生机械振动，在产生机械振动的同时又会产生交变电场，这就是晶体的逆压电效应。一般来讲，逆压电效应产生的机械振动的振幅是很小的，只有当在晶体的谐振频率时机械振动的振幅才会急剧增大。因此我们从测量电路的输出频率就可以得到晶体此时的频率大小。所以准确来说 QCM 就应用这个原理。如图 2-1 所示是石英晶体逆压电效应的剪切运动的示意图[18]。其实在自然界中许多晶体都具有这种效应，只不过大部分晶体的压电效应比较微弱，达不到一定的标准，很难有实际中应用的价值。然而其中的石英晶体在很多方面有优异的性能，因此石英晶体的应用则非常广泛。