??? 摘 要： 石英晶體" title="石英晶體">石英晶體微天平（QCM）信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量是影響其測(cè)量精度的重要因素。提出了一種QCM信號(hào)在線采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，并對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
??? 關(guān)鍵詞： 石英晶體微天平? DSP? 諧振頻率
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??? QCM(Quartz Crystal Microbalance)是由AT切石英晶體片和鍍?cè)谄渖舷卤砻娴慕饘匐姌O構(gòu)成的一種諧振式傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單" title="結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單">結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中[1]，用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測(cè)量、薄膜厚度的檢測(cè)等。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用。例如，若在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜,可用來(lái)探測(cè)氣體的化學(xué)成分或監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況[2]。若選用生物活性膜,則可制成生物傳感器,如質(zhì)量式的基因傳感器等[3]。隨著生物科學(xué)的蓬勃發(fā)展，QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊前景。
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??? 在國(guó)外，QCM在氣相中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，近幾年，對(duì)液相中的QCM應(yīng)用的研究也取得了很大進(jìn)步，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多商品化的產(chǎn)品，但是它們的價(jià)格非常昂貴。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究相對(duì)較少。本文提出了一種基于DSP的QCM信號(hào)在線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高頻信號(hào)發(fā)生器、QCM傳感器和信號(hào)采集處理部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。借助DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量，并且保證了較高的測(cè)量精度。
1 QCM測(cè)量原理
??? 石英是具有壓電性質(zhì)的物質(zhì)之一，當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時(shí)，石英晶片振幅會(huì)急劇增加,這就是壓電諧振。
??? 1959年Sauerbrey在假定外加質(zhì)量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件下，得出了QCM的諧振頻率" title="諧振頻率">諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。即：
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??? 式中，Δf為QCM諧振頻率的變化；f0為QCM的基頻；
為石英的壓電強(qiáng)化剪切模量；ρq為石英的密度：2.651g/cm3；A為金電極的面積；Sf為傳感器的靈敏度；Δm為電極表面的質(zhì)量變化。通過(guò)（1）式可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化。由于QCM的靈敏度很高，可以達(dá)到納克級(jí)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此一問(wèn)世就得到了廣泛的應(yīng)用，如用于真空或空氣中膜的厚度檢測(cè)等。
??? 20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著研究的深入，QCM在液相中也取得了廣泛的應(yīng)用，主要用于生物、化學(xué)等領(lǐng)域的檢測(cè)中。1982年Monura和Okuhara最先提出了可以在液相中驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)的電路，將QCM的應(yīng)用擴(kuò)大到了液相。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛頓流體中振蕩時(shí)其諧振頻率變化與液體的粘度和密度的關(guān)系式[4]，即：
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??? 從式(1)、(2)可以看出，QCM諧振頻率的變化量Δf是關(guān)鍵的待測(cè)量。
2 系統(tǒng)方案
??? 目前驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)并采集其輸出信號(hào)的方法主要有兩種：（1）振蕩電路法；（2）頻譜分析" title="頻譜分析">頻譜分析法。振蕩電路法的基本原理為：將QCM接入自激振蕩電路中，使其構(gòu)成選頻元件，電路的振蕩頻率等于QCM的諧振頻率。通過(guò)電路振蕩頻率的變化可得到QCM諧振頻率的變化，從而可推測(cè)出待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的變化。頻譜分析法的基本原理為：掃描QCM在其諧振頻率附近的一段頻率范圍內(nèi)的頻譜（幅頻和相頻特性），通過(guò)該頻譜可得到QCM的諧振頻率、Q值等參數(shù)。與振蕩電路的方法相比，頻譜分析的主要優(yōu)點(diǎn)有：在大阻尼介質(zhì)中不會(huì)停振、測(cè)量結(jié)果信息量大、形象直觀、計(jì)算解釋容易。本設(shè)計(jì)給出了一種基于頻譜分析法的QCM信號(hào)采集系統(tǒng)，其電路原理框圖如圖2所示。
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3 系統(tǒng)分析
??? 電路的正弦信號(hào)產(chǎn)生部分由直接數(shù)字信號(hào)合成（DDS）芯片、自動(dòng)增益控制（AGC）和運(yùn)放（AMP）等組成。DDS接收DSP的控制信號(hào)，產(chǎn)生頻率可控的正弦信號(hào)；AGC調(diào)整DDS的輸出信號(hào)，使其峰-峰值始終保持為一個(gè)已知的定值；AMP則完成信號(hào)的放大和阻抗轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)產(chǎn)生部分增加了自動(dòng)增益控制使其產(chǎn)生的信號(hào)的峰-峰值保持恒定，從而減少了待測(cè)信號(hào)的數(shù)目，簡(jiǎn)化了測(cè)量和處理的過(guò)程。
??? 信號(hào)產(chǎn)生器部分產(chǎn)生的正弦信號(hào)作用在如圖2中所示的兩個(gè)反相" title="反相">反相比例電路上，反相比例電路的輸出信號(hào)包含QCM在相應(yīng)頻率下的等效阻抗的幅值和相角信息。根據(jù)反相比例電路虛地的原理，作用在QCM上的電壓始終保持為信號(hào)產(chǎn)生部分的輸出電壓與地之間的電壓差。采用這種結(jié)構(gòu)的好處是：（1）使作用在QCM上的電壓保持恒定，簡(jiǎn)化了處理過(guò)程。（2）只通過(guò)一個(gè)反相比例電路的輸出信號(hào)即可單獨(dú)得到QCM等效阻抗的幅值（通過(guò)后面的計(jì)算將會(huì)得到此結(jié)論）。
??? 反相比例電路輸出信號(hào)的采集和處理部分的核心是兩個(gè)乘法器和低通濾波器。設(shè)信號(hào)產(chǎn)生部分的輸出信號(hào)電壓為：
則含有QCM的反相比例電路的輸出為：
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式中，R1為參考電阻R1的阻值，
|Z|和φ為其對(duì)應(yīng)的幅值和相角。另一個(gè)反相比例電路的輸出為：
??? 這兩個(gè)直流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后由ADC芯片采集，所采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DSP處理后送往PC機(jī)供分析、顯示之用。為保證采集的精度，此處的放大器選用AD620芯片。AD620具有高精度、低漂移和低噪聲的優(yōu)點(diǎn),另外AD620可以通過(guò)一個(gè)外接電阻方便地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。ADC芯片采用雙通道的高精度轉(zhuǎn)換芯片。
??? 整理（3）、（4）兩式可得QCM等效阻抗的幅值為：
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??? 上面各式中R1、R2、R3和u0均為與電路參數(shù)有關(guān)的已知值,所以由采集的信號(hào)uf 1和uf 2，通過(guò)(5)、(6)式即可分別計(jì)算出QCM等效阻抗的幅值和相角。通過(guò)DDS改變產(chǎn)生信號(hào)的頻率，即可得到不同頻率下QCM等效阻抗的幅值和相角。對(duì)QCM諧振頻率附件的頻率段進(jìn)行掃描，記錄每個(gè)頻率測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值和相角，即可繪出QCM的頻譜。由頻譜可以得出QCM諧振頻率的變化量Δf。
??? 由(5)式可知，通過(guò)uf1即可單獨(dú)求出QCM等效阻抗的幅值，得到QCM的幅頻特性曲線。因此本電路可以設(shè)定兩種工作模式：(1)使電路僅采集信號(hào)uf1，從而得到QCM的幅頻特性曲線，由該曲線可以得到QCM的諧振頻率（對(duì)應(yīng)于阻抗值最低點(diǎn)處的頻率）、帶寬、Q值等參數(shù)。采用此模式得到的信號(hào)雖不全面，但它足以得到諧振頻率的變化量Δf，且由于這種模式只采集、處理一路信號(hào)，因此工作速度較快。(2)同時(shí)采集信號(hào)uf1和uf2，從而可得到QCM的幅頻特性和相頻特性曲線。采用此模式可以得到QCM的最全面的信息，但它的工作速度與模式(1)相比較慢。
??? 數(shù)字信號(hào)的采集、處理、傳輸以及整個(gè)電路的控制是由DSP控制器、A/D轉(zhuǎn)換芯片和PC機(jī)完成的。DSP的高速處理能力和較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間使得系統(tǒng)可以在線地采集處理信號(hào)。實(shí)際中，從低通濾波器輸出的信號(hào)uf1、uf2是混雜著噪聲的直流信號(hào)，為了消除引入的干擾信號(hào)，在DSP中采用濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。
??? 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使作用在QCM上的信號(hào)峰-峰值保持恒定，簡(jiǎn)化了后續(xù)的計(jì)算處理過(guò)程。同時(shí)系統(tǒng)具有兩種工作模式，可采集的信息量全面。系統(tǒng)的核心控制器由DSP擔(dān)任，借助DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)在線采集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。
參考文獻(xiàn)
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2 Antonio Arnau,Yolanda, Jimennez. An Ex2 tended Butterworth2Van Dyke Model for Quartz Crystal Microbalance Applications in Vis2 coelastic Fluid Media[J]. IEEE, 2001;48(5):1367～1381
3 劉建輝,莫志宏,劉明華. 基因傳感器研究新進(jìn)展[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)臨床生物化學(xué)與檢驗(yàn)學(xué)分冊(cè),2000;21(5):233～234
4 Keiji K.K., Gordon J.G. Frequency of a Quartz Microbalance in Contact with Liquid. Anal. Chem Acta,1985;59:99~104