压电晶体微天平驱动电路的研究

发布时间：2017-10-21 10:36

  本文关键词：压电晶体微天平驱动电路的研究

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【摘要】：基于质量吸附效应的压电谐振传感式生物传感器是集电子、机械、计算机及分子生物学等多学科发展成果于一体的新型传感器技术,由于石英晶体谐振器理论和加工工艺成熟、谐振频率和化学性能稳定性好、来源广泛价格低廉,自从1959年Sauerbrey提出石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)至今,压电谐振传感器一直以石英晶体为压电材料。QCM具有原理简单、稳定性好、灵敏度高、测量系统简单、操作方便、成本低、可实时在线检测、数字化输出等特点,现已广泛研究用于危险品有机化合物检测、DNA检测、血液成分检测、毒素检测等领域。在实检测中,生物传感器往往需要在液相环境下工作。由于液体的粘弹性性质,当压电谐振器的电极与被测液体接触时,会导致谐振器的机械品质因素显著降低,如何维持传感器谐振系统的稳定震荡,以获得足够的信噪比实现准确测量,是压电谐振式生物传感器研究的重要课题。近年来,新型压电材料的发展迅速,这其中硅酸镓镧(langasite)因为拥有众多优于石英晶体的性能而受到大家关注,而且有研究表明在液相环境下,硅酸镓镧晶体的Q值是石英晶体近两倍,显然硅酸镓镧晶体微天平(Langasite Crystal Microbalance,LCM)将有更好的液相工作稳定性。这启发我们研发一种基于新型压电晶体材料的单片阵列式压电谐振式生物传感器,从而实现本文通过对经典QCM平台的研究,类比QCM的驱动电路,研制一套可以供石英和硅酸镓镧晶体谐振器件使用的谐振传感器,本设计的电路基于模拟锁相环的工作原理,能有效地补偿晶体的静态电容,消除相位误差,晶体可以锁定在串联谐振状态下,通过外接设备可以测得精确度较高的晶体谐振频率和动态电阻.内部振荡电路由芯片MC12148外接变容二极管实现,可接入很宽的频率范围内的晶体进行使用。最后文章对LCM在液相中的使用情况做了一些探究,认为将该材料用于压电晶体微天平制备具有很好应用前景。
【关键词】：压电晶体传感器 QCM 模拟锁相 驱动电路
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 压电晶体微天平的概述9-10
• 1.2 QCM的基本理论10-12
• 1.3 QCM的基本组成12-14
• 1.4 国内外研究历史与现状14-16
• 1.5 选题目的与课题组研究基础16-18
• 第二章 压电晶体谐振器的模型与总体方案选择18-23
• 2.1 石英晶体的Butterworth-van Dyke等效电路模型18-20
• 2.2 QCM驱动电路的介绍20-23
• 第三章 压电晶体传感器的研制23-37
• 3.1 压电晶体谐振器制备23-25
• 3.2 驱动电路的基本原理25-28
• 3.3 电路搭建28-34
• 3.3.1 静态电容的补偿28-29
• 3.3.2 整流鉴相29-30
• 3.3.3 扫描电压发生器30
• 3.3.4 压控振荡模块30-32
• 3.3.5 锁定检测模块32-33
• 3.3.6 动态电阻R的测量33
• 3.3.7 电源设计33-34
• 3.4 锁相驱动电路误差分析34-35
• 3.5 布板中抗干扰措施35-37
• 第四章 系统测试分析与频率采集系统的建立37-43
• 4.1 测试准备37
• 4.2 晶体串联谐振频率与动态电阻的测量37-38
• 4.3 液相检测38-41
• 4.4 基于ARM的数据采集系统41-43
• 第五章 总结与展望43-45
• 5.1 总结43
• 5.2 展望43-45
• 参考文献45-50
• 发表论文和科研情况说明50-51
• 致谢51-52

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本文编号：1072896