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摘 要

石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance, QCM ）自问世以来就以结构简单，灵敏度高而受到各方关注。提高QCM灵敏度的主要方式是提高其基本频率。目前普遍使用的QCM传感器基本频率为5MHz~10MHz。为了获取更高的灵敏度，可以制作高频QCM传感器。QCM传感器都是由基于厚度剪切模式（Thickness Shear Mode, TSM）的AT切石英晶片制成的。激励模式为厚度场激励模式（Thickness Field Excitation, TFE）。 在QCM方面的研究不断深入后，提出了在同一石英晶片上集成多个谐振元，也是双通道QCM最初步的的讨论，它解决了单一QCM在测量过程中可能受到的外在因素的影响，还可以同时测量多个需要测量的成分数据，集成较为简单。虽然双通道的QCM有很多的优点，但同时它的缺点也是不言而喻的。因为两个谐振元在同一块石英晶片上，所以会有一定的相互干涉，一旦产生耦合，就会对最后的测量结果产生巨大的影响。

本文在对现有的基于厚度场激励模式QCM传感器工作原理与设计理念进行了解、研究之后，设计制作了双通道的QCM传感器，用于提高芯片的利用效率，减少误差影响。同时，为此芯片匹配设计了流通池与一整套流动注射系统。通过这一系统，能够定速定量的精确控制传感器的反应。此传感器具有易集成、小型化等特点。初步实验结果表明，双通道QCM可以在液相环境中稳定工作，可以对环境因素作出补偿，并且灵敏度较高，两谐振元之间的相互耦合较小。

关键词：石英晶体微天平； 厚度场激励；双通道；小型； 流动注射；

A Study on The Dual-Channels Quartz Crystal Microbalance

Abstract

Quartz Crystal Microbalance（QCM）has been attracting attention for its simple structure and high sensitivity since its inception. The main method to improve the sensitivity of QCM is raising its resonance frequency. The resonance frequency of commonly used QCM is 5MHz~10MHz. In pursuit of greater sensitivity, we can design the QCM sensor with higher resonance frequency. The QCM sensors are based on the thickness shear mode (TSM), which are made in AT cut quartz crystal. And this kind of sensor is excited by thickness field excitation (TFE). The deepening research on QCM is proposed in the same quartz wafer integrated multiple resonance and dual channel QCM the preliminary of the discussion, it solves the single QCM in the measurement process may be subject to external factors, can simultaneously measure the multiple constituents measured data, the integration is simple. Although the dual channel QCM has a lot of advantages, but at the same time it is self-evident. Because the two resonance element in the same quartz chip, so there will be a certain mutual interference, once the coupling, it will have a huge impact on the final measurement results.

In this paper we investigate the work principle and design concept of the current TFE QCM sensor.Then，we have designed The Dual Channels Quartz Crystal Microbalance in order to improve the utilization efficiency of the chips. At the same time, we also design the flow cell and Flow Injection System. Using this system, we can control the reaction of the QCM sensor precisely. This kind of sensor has easier integration and small size. According to the result of the experiment, The dual channel QCM can work stably in the liquid phase environment, make compensation for environmental factors,and the sensitivity is higher, and the coupling between two resonant elements is small.

KEY WORDS： quartz crystal microbalance, Thickness field excitation, Dual-channels, miniaturization, flow injection

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1石英晶体微天平的背景 1

1.2 QCM的应用与进展 1

1.3本文主要工作 2

第二章 工作原理 3

2.1石英晶体微天平（QCM）的原理及基本结构 3

2.2双通道石英晶体微天平的原理及设计 4

2.3 流动注射分析 5

第三章 结构设计与制作 6

3.1传感器的设计 6

3.1.1 QCM芯片的材料选择 6

3.1.2 QCM芯片的结构设计 6

3.1.2 QCM芯片的工艺制作 7

3.2流通池的设计 9

3.2.1中间层 9

3.2.2密封垫片与封盖 9

3.2.3基座 10

3.3系统整体的设计 11

第四章 实验数据测量与结果分析 12

4.1同一芯片在空气、水以及PBS水溶液环境中谐振频率分析 12

4.2同一芯片在空气以及水溶液中环境补偿因素分析 13

4.3不同规格芯片在不同环境中频率耦合分析 16

4.4在不同规格芯片中谐振元大小之比对灵敏度的影响 17

4.5实验结果总结 18

第五章 总结与展望 20

5.1 工作总结 20

5.2 未来展望 21

致谢 22

参考文献（References） 23

第一章 绪论

1.1石英晶体微天平的背景

测量，很久以前就是人类世界所面对的问题，在以物易物的时代，在并没有货币流通的时候，在需要建造房屋建筑的时候，如何测量质量、长度就变得尤为重要，随着时代的发展，不断有测量工具陆续问世，能粗略比较两个物体的质量，到能测量出具体质量的工具，再到精度更高测量工具，随着时代的发展，人类对测量精度的需求不断提高，也是高精度测量工具不断发展的导向。

石英晶体微天平（QCM）的发展始于上世纪60年代初期，它是一种以AT切型石英晶片为核心的非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，和他相比的电子微天平则是相去甚远，仅仅能达到微克级别。理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。

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