5  QCM检测电路的仿真与分析 20

5。1 基于Multisim的QCM检测装置的仿真电路 20

5。2 QCM信号反相比例放大电路的仿真 21

5。3 QCM乘法器模块的仿真 22

5。4 低通滤波电路部分的仿真 22

5。5 仿真结果分析 23

6  Multisim仿真总结 26

6。1 设计总结 26

6。2 设计的展望 26

致 谢 27

参考文献 28

1引言

1。1研究背景

石英晶体微天平（QCM）技术，是20世纪60年代建立起来的一种新型的传感器测量技术。它是通过在AT切石英晶片的上下表面镀上圆形金电极而构成的一种具有高分辨率的压电传感器。石英晶体电极表层吸附的质量变化与其谐振频率的变化呈正比关系。所以，石英晶体振荡频率的改变能体现出晶体电极表层所吸附的质量的变化。但石英晶体的谐振频率可超过6MHz，它可用来检测纳克级的质量变化，所以可用来分析微观过程里的质量变化，便于直观地获得足够多的检测信息。对比于称重传感器、分析天平等，它的检测灵敏度更高，并且价格相对经济，与此同时还有操作简便，可完成连续、多组的操作等优点。所以，QCM在这几年来取得了快速发展，现已普遍应用在分析化学、医学、生物学以及材料学等多个领域。论文网

QCM曾在真空镀膜的监测里得到运用，这些运用使得其作为传感器得以快速发展，例如在金属物质的腐蚀和预防、垃圾的检测、高分子相变等领域发展迅速。若干期刊研究提到一些应用实例，这里面比较出名的就是火星大气成分的检测，美国国家航空局把此装置安设在“火星漫步者号”卫星系统里, 从而得以了解到火星大气层的主要成份。 

但是，科学家在推进QCM在液相中的运用的时候遭遇了非常多的难点。1980年, Nomura等学者研制了在液体环境下振荡稳定的QCM。再后来,一些学者研制出黏性阻尼，从而提高了QCM系统的复杂程度，就是在液体环境里，QCM的频响不光取决于表层和物质间的相互作用所产生的质量改变，也和周围液体的影响息息相关。一般来说，与晶片一同振动的物质的质量的提高能使频率降低，而振动物质的黏性增大能使频率得以上升。此QCM数据分析的复杂程度导致了液相QCM现如今的运用只局限于学术方面的研讨，而并没有在工业以及商业上得到推广。资料显示，其他同一时期发展的传感器比起液相QCM的商业运用推广发达了很多。在液相中获得了QCM数据之后，如果应用Sauerbrey方程进行推算，所得的理论值一般和真实值相差甚远。后来，研究人员开始由转化因子入手,对Sauerbrey方程加以推导与纠正，可直到今日也不曾得到一个统一的转化方程。关于如何解决溶液的黏弹性问题,科研工作者一方面就溶液的影响在理论和规律上作了探讨,提出了频率变化和溶液黏弹性、密度、电导率、介电常数等参数相关的公式,另一方面则是对QCM硬件设备进行了优化改进。为了获取更多关于QCM振荡原理性的信息,人们进一步从电学、声学的原理发展了等效电路模型、流体力学模型、有限元法等方法。这些方法从不同程度上加深了我们对QCM数据的理解，但由于过于复杂，并没有能够推动QCM的商业应用。在硬件方面, QCM发展了振荡器法和阻抗网络法 (QCM with impedance analysis, i-QCM)等检测模式, 分别提供振荡阻抗、振荡频率、振幅和半峰宽等信息,这些测量参量一般都与液相特征参量相关,从而实现分离质量和溶液性质对检测参数的影响。Bruckenstein等人则通过仪器的创新，采用双振荡电路的方式，分离出黏弹性的贡献。Dunham等人采用双石英晶体芯片，自动扣除电导率，黏弹性、温度等参数的影响。Hook小组同时监测频率变化和能量耗散因子,并借助Voigt model开始尝试表征生物膜层的黏弹性特性，比如蛋白质、DNA单链以及杂交信息。进一步研究表明，许多与外界相关的物理、化学参数对于频率的变化存在不同程度的影响。这些因素包括：表面粗糙度、温度、压力、导电率等。但由于这些影响因素往往属于极端的实例，在现实的应用中，这些因素对于实验结果多数可以忽略不计或者经过特殊处理减小对结果的影响，因此，在下文讨论中不再赘述。文献综述