石英晶體微天平

1、物物 理理 學(xué)學(xué) 院院創(chuàng)創(chuàng) 項(xiàng)項(xiàng) 目目賽賽 作作 品品參參國國微微英英 晶晶(QCM)原原計(jì)計(jì)天天及及平平機(jī)機(jī)體體樣樣石石理理設(shè)設(shè)國創(chuàng)答辯董麗君武曉佳劉靜段瓔宸董振余小組成員介紹小組成員介紹國創(chuàng)答辯作品簡介選題依據(jù)研究方案創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)期目標(biāo)作品簡介展示內(nèi)容展示內(nèi)容4作品簡介 石英晶體微天平 石英晶體微天平（Quartz crystal microbalance）是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測儀器，其測量精度可達(dá)納克級(jí)，比靈敏度在微克級(jí)的電子微天平高100 倍，理論上可以測到的質(zhì)量變化相當(dāng)于單分子層或原子層的幾分之一。石英晶體微天平利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為

2、石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。國創(chuàng)答辯前期基礎(chǔ)樣樣品品QCM的的微微質(zhì)質(zhì)量量和和溫溫度度測測試試 石英空間結(jié)構(gòu)7.99M Hz QCM樣品樣品 符合要求的振蕩波形課題背景作品簡介選題依據(jù)研究方案創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)期目標(biāo)選題依據(jù)PowerPoit 2003選題依據(jù) 國內(nèi)外狀況分析國內(nèi)：國內(nèi)： 起步階段起步階段 跟蹤成果跟蹤成果 研究分散研究分散 穩(wěn)定性不好穩(wěn)定性不好國外：相當(dāng)成熟、商品化、美國的國外：相當(dāng)成熟、商品化、美國的QCMResearch公司的產(chǎn)公司的產(chǎn)品用于品用于NASA火星探測車火星探測車“Sojourner”的太陽能電池板的灰的

3、太陽能電池板的灰塵厚度，從而及時(shí)清理灰塵以免影響太陽能電池板的效率；塵厚度，從而及時(shí)清理灰塵以免影響太陽能電池板的效率；也有用于檢查太空艙的氣密性，宇宙射線強(qiáng)度等的產(chǎn)品。也有用于檢查太空艙的氣密性，宇宙射線強(qiáng)度等的產(chǎn)品。國內(nèi)外現(xiàn)狀分析選題依據(jù) 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析 美國生產(chǎn)的美國生產(chǎn)的QCMQCM對(duì)于基頻為對(duì)于基頻為5MHz5MHz的的QCMQCM芯片而言芯片而言, , 產(chǎn)生產(chǎn)生1Hz1Hz的響應(yīng)需要的質(zhì)量為的響應(yīng)需要的質(zhì)量為20ng, 20ng, 即它的理論質(zhì)即它的理論質(zhì)量靈敏度量靈敏度20ng20ng。而對(duì)于基頻為。而對(duì)于基頻為27MHz27MHz的芯片的芯片, ,產(chǎn)生產(chǎn)生1Hz 1Hz 的響應(yīng)

4、需要的質(zhì)量為的響應(yīng)需要的質(zhì)量為 0.7ng 0.7ng。顯而易見。顯而易見,27MHz,27MHz比比5MHz5MHz具有更高的靈敏度具有更高的靈敏度, ,提高了提高了2929倍。其前提條倍。其前提條件是芯片厚度變得更薄。件是芯片厚度變得更薄。 雖然雖然“降低芯片的厚度降低芯片的厚度, , 提高芯片的基頻提高芯片的基頻”是提高是提高QCMQCM靈敏度的方法之一靈敏度的方法之一, , 但這對(duì)芯片的制備工藝要求極高但這對(duì)芯片的制備工藝要求極高, , 目前僅有日本目前僅有日本OkahataOkahata小組在使用。主流還是基頻為小組在使用。主流還是基頻為5MHz5MHz的的QCM QCM 芯片芯片。

5、選題依據(jù) QCM 作為一種新型的介微稱重技術(shù)，能夠用于高壓等極端實(shí)驗(yàn)條件，如果可以降低芯片的厚度同時(shí)提高QCM的靈敏度將會(huì)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。 對(duì)于快速測量化合物在高壓流體中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為過程、大氣與環(huán)境污染物的監(jiān)測、金屬腐蝕與防護(hù)、高分子相變、氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究等都具有重要意義。 如果可以降低芯片的厚度同時(shí)提高QCM的靈敏度將會(huì)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。學(xué)術(shù)價(jià)值10選題依據(jù) 應(yīng)用價(jià)值 主要是用來進(jìn)行微質(zhì)量的測量，精度可以達(dá)到納克級(jí)，具有靈敏度高,穩(wěn)定性好、通用性高、工作溫度范圍寬、尺寸小、耐振動(dòng)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著研究的不斷深入，QCM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于液相、固相、氣相中進(jìn)行各種

6、物質(zhì)成分的研究和分析。在生物醫(yī)學(xué)，化學(xué)，環(huán)境監(jiān)測，航天航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和廣闊的前景和較高的科研價(jià)值。國創(chuàng)答辯作品簡介選題依據(jù)研究方案創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)期成果研究方案12研究方案 研究內(nèi)容從石英晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，壓電效應(yīng)，頻率特性，QCM的原理和應(yīng)用，晶體的振蕩電路等進(jìn)行研究，全面扎實(shí)地掌握石英晶體特質(zhì)對(duì)QCM工作的影響。國創(chuàng)答辯研究內(nèi)容研研究究方方案案 從石英晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，壓電效應(yīng)，頻率特性，QCM的原理和應(yīng)用，晶體的振蕩電路等進(jìn)行研究，全面扎實(shí)地掌握石英晶體特質(zhì)對(duì)QCM工作的影響。 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型（構(gòu)建QCM工作模型及電路仿真模型）進(jìn)行理論仿真。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證同時(shí)尋找并豐富原有理論。研究電路

7、結(jié)構(gòu)，搭載電路并進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行石英晶體微天平樣機(jī)設(shè)計(jì)，逐步提高樣機(jī)的靈敏度。14研究方案 研究目標(biāo)1. 設(shè)計(jì)電路，達(dá)到電路對(duì)石英晶體穩(wěn)定的自適應(yīng)控制降低對(duì)QCM晶體厚度的高要求。2. 搭載使QCM產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的電路，根據(jù)工作原理逐步提高QCM的測量精度。 3.做出實(shí)現(xiàn)低成本的同時(shí)提高石英晶體微天平控制精度的QCM樣機(jī)。 15研究方案 研究方案 畫電路圖產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件顯示分析結(jié)果標(biāo)注各元件名稱及參數(shù)值標(biāo)注各元件節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)編號(hào)建立電路輸入文件確定分析類型根 據(jù) 檢 驗(yàn)報(bào)告修 改 輸 入文件執(zhí)行PSPICE仿真程序自檢正確否？修改輸入文件修改電路元件及參數(shù)值結(jié)果是否正確？分析結(jié)束國創(chuàng)答辯作品簡介選題依

8、據(jù)研究方案創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)期目標(biāo)創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)、特色1 1.避開了降低石英晶體厚度來提高測量靈敏度的方法，另辟蹊徑，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行電路調(diào)整，實(shí)現(xiàn)晶體電路自適應(yīng)控制來提高石英晶體微天平的靈敏度，為實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)降低成本。2.從QCM工作基本原理入手，使研究過程精細(xì)、全面，保證系統(tǒng)的、可行性、測量的可靠性，有效防止了沿用其他人研究成果導(dǎo)致的理論知識(shí)不扎實(shí)，測量精度不夠也無從改進(jìn)的結(jié)果。關(guān)鍵技術(shù)1.精確構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和電子線路仿真模型，不忽略任何影響產(chǎn)品精確度的微小因素，使樣機(jī)的設(shè)計(jì)制作變得容易，為實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)提供可靠的理論依據(jù)。2.做出可以測量微小質(zhì)量的QCM樣機(jī),。3.電路設(shè)計(jì)，實(shí)

9、現(xiàn)晶體電路的自適應(yīng)控制。可行性分析1.本小組為此次科研活動(dòng)準(zhǔn)備了充足的資料，包括國內(nèi)重點(diǎn)院校的研究成果，本校專業(yè)老師的指導(dǎo)和耐心講解，以及本項(xiàng)目的研究生學(xué)長的介紹和樣機(jī)展示。對(duì)石英晶體微天平的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了一定的了解，對(duì)研究方向、步驟都有了很好的把握。2.指導(dǎo)老師在電路研究方面有多年的經(jīng)驗(yàn)，是本學(xué)院電子電氣專業(yè)帶頭人、具有較強(qiáng)的專業(yè)性，曾指導(dǎo)過的許多科研國創(chuàng)小組都取得了優(yōu)秀的科研成果，作為第一作者發(fā)表了許多專業(yè)的學(xué)術(shù)論文并編寫過電子線路等大學(xué)物理專業(yè)課教材。3.我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)測得了粉塵質(zhì)量和振蕩頻率的關(guān)系，為接下來的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。預(yù)期目標(biāo)項(xiàng)目簡介選題依據(jù)研究方案創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技

10、術(shù)預(yù)期目標(biāo)可行性分析1.本小組為此次科研活動(dòng)準(zhǔn)備了充足的資料，包括國內(nèi)重點(diǎn)院校的研究成果，本校專業(yè)老師的指導(dǎo)和耐心講解，以及本項(xiàng)目的研究生學(xué)長的介紹和樣機(jī)展示。對(duì)石英晶體微天平的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了一定的了解，對(duì)研究方向、步驟都有了很好的把握。2.指導(dǎo)老師在電路研究方面有多年的經(jīng)驗(yàn)，是本學(xué)院電子電氣專業(yè)帶頭人、具有較強(qiáng)的專業(yè)性，曾指導(dǎo)過的許多科研國創(chuàng)小組都取得了優(yōu)秀的科研成果，作為第一作者發(fā)表了許多專業(yè)的學(xué)術(shù)論文并編寫過電子線路等大學(xué)物理專業(yè)課教材。3.我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)測得了粉塵質(zhì)量和振蕩頻率的關(guān)系，為接下來的研究奠定了良好的基礎(chǔ)?？尚行苑治?.設(shè)計(jì)出測量精度較高且具有較好穩(wěn)定性的石英晶體微天平