matlab多通道石英晶体微天平等效电路分析与仿真(2)

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1．2 QCM的测量原理

QCM是由AT切型的石英晶体薄片与喷涂在其表面上的金属激励电极构成，选择AT切型的石英晶体比其他切型的好。因为AT切型的石英晶体的频率在温度5-40℃范围内，不受温度变化的影响。根据石英晶体的压电效应，当对石英晶体施加交变电压时，石英晶体就会振动，当振荡电路的频率与石英晶体的固有频率一致时，便会产生共振，此时振荡最稳定。石英晶振有稳定的固有频率，在一定条件下，当石英晶振表面吸附其他物质时，石英晶振的固有频率随吸附质量的大小而改变。QCM传感器就是根据这一原理，在石英晶振表面做一层敏感薄膜，利用敏感薄膜对待测物质的吸附作用，把待测物质的浓度信号转化为频率信号进行检测的。论文网

在假定外加量均匀刚性地附着于QCM的电极表面的条件下，Sauerbrey得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物，晶体振荡频率变化正比于工作电极上沉积物的质量改变。

Sauerbrey方程：

其中为QCM的基频

为电极表面质量的变化

是石英的压电强化剪切模量

石英晶体的密度

A晶体表面的实际面积

负号表明，随着表面负载质量的增加而谐振频率会下降，相反的随着表面负载质量的减小而上升。

从上式中可以看到，随着刚性膜附在电极表面的质量增加，QCM的频率会减小，通过测量QCM频率的变化，可计算出附在电极表面刚性膜的质量；如果附着的是少量液体，通过测量QCM频率的变化即可以求出液体粘度与密度的乘积。

1．3 QCM的应用与发展现状

初始，QCM作为微质量传感器，其应用只局限于气相中，主要原因是其在液相中能耗大，难以稳定振荡。直到1980年，Konash和Bastiaans首先尝试设计在液体中检测的传感器，通过电路的改进，将石英晶体微天平成功地应用到了基于液相的测定。此后，它又被广泛应用于化学、物理、生物、医学、环境检测和表面科学等领域中，用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度的检测等。下面对QCM作为传感器的应用，进行简单的介绍。

（1）灰尘传感器

用QCM测量灰尘质量，就是运用了Sauerbrey方程，通过测量其谐振频率的变化，即可得出电极表面附着的质量。

（2）流体传感器

流体传感器可以通过测量QCM谐振频率的连续变化，可以得出液体粘度和密度的变化；通过QCM谐振频率的变化，还可得出液体的粘度和密度。这是由于QCM谐振频率的变化与液体粘度与密度的乘积的开平方成正比[6,7]。

(3) 生物传感器

待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物的质量。近来它已广泛用于蛋白质吸附、细菌生长过程检测、DNA杂交及免疫分析等生命科学和医学领域。

（4）化学传感器

石英晶体微天平化学传感器包括湿敏、气敏和重金属离子传感器等，它们在环境检测和监控各个方面中，可应用于环境湿度、空气污染物、水中重金属离子和水中有机污染物等的有效测定。

1．4 MQCM概述

在同一个石英晶片上镀上几个电极对，每一个电极对都看成一个独立的谐振元，相当于一个QCM，这就是多通道石英晶体微天平(MQCM)的基本原理，MQCM中的每一个谐振元都能独立测量不同的量。实际上，这就相当于将若干个QCM 利用微制作技术集成在同一晶片上，这一点正符合了传感器的阵列化、微型化以及信息处理的计算机化的发展趋势。MQCM中各谐振元之间存在一定耦合，降低了多通道石英晶体微天平的测量精度，如何消除谐振元之间的振动耦合是多通道石英微天平研究中的一个主要问题。其研究内容包括：石英晶片上电极的布置、电极的形状及电极间相互耦合，优化设计等。源:自~751-·论`文'网·www.751com.cn/