石英晶体微天平教材

物理学院创项目赛作品参国微英晶(QCM)原计天及平机体样石理设国创答辩董丽君武晓佳刘静段璎宸董振余小组成员介绍国创答辩作品简介选题依据研究方案创新点、关键技术预期目标作品简介展示内容4作品简介石英晶体微天平

石英晶体微天平（Quartzcrystalmicrobalance）是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高100倍，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。国创答辩前期基础样品QCM的微质量和温度测试石英空间结构7.99MHzQCM样品

符合要求的振荡波形课题背景作品简介选题依据研究方案创新点、关键技术预期目标选题依据PowerPoit2003选题依据国内外状况分析国内：起步阶段跟踪成果研究分散稳定性不好国外：相当成熟、商品化、美国的QCM．Research公司的产品用于NASA火星探测车“Sojourner”的太阳能电池板的灰尘厚度，从而及时清理灰尘以免影响太阳能电池板的效率；也有用于检查太空舱的气密性，宇宙射线强度等的产品。国内外现状分析选题依据国内外现状分析

美国生产的QCM对于基频为5MHz的QCM芯片而言,产生1Hz的响应需要的质量为20ng,即它的理论质量灵敏度>20ng。而对于基频为27MHz的芯片,产生1Hz的响应需要的质量为0.7ng。显而易见,27MHz比5MHz具有更高的灵敏度,提高了29倍。其前提条件是芯片厚度变得更薄。虽然“降低芯片的厚度,提高芯片的基频”是提高QCM灵敏度的方法之一,但这对芯片的制备工艺要求极高,目前仅有日本Okahata小组在使用。主流还是基频为5MHz的QCM芯片。选题依据

QCM作为一种新型的介微称重技术，能够用于高压等极端实验条件，如果可以降低芯片的厚度同时提高QCM的灵敏度将会在学术领域产生巨大的影响。

对于快速测量化合物在高压流体中的静态和动态行为过程、大气与环境污染物的监测、金属腐蚀与防护、高分子相变、气相反应动力学的研究等都具有重要意义。

如果可以降低芯片的厚度同时提高QCM的灵敏度将会在学术领域产生巨大的影响。学术价值10选题依据应用价值

主要是用来进行微质量的测量，精度可以达到纳克级，具有灵敏度高,稳定性好、通用性高、工作温度范围宽、尺寸小、耐振动性能强等优点。目前，随着研究的不断深入，QCM已经被广泛应用于液相、固相、气相中进行各种物质成分的研究和分析。在生物医学，化学，环境监测，航天航空等领域有着广泛的应用和广阔的前景和较高的科研价值。国创答辩作品简介选题依据研究方案创新点、关键技术预期成果研究方案12研究方案研究内容从石英晶体内部结构，压电效应，频率特性，QCM的原理和应用，晶体的振荡电路等进行研究，全面扎实地掌握石英晶体特质对QCM工作的影响。国创答辩研究内容研究方案

从石英晶体内部结构，压电效应，频率特性，QCM的原理和应用，晶体的振荡电路等进行研究，全面扎实地掌握石英晶体特质对QCM工作的影响。

构建数学模型（构建QCM工作模型及电路仿真模型）进行理论仿真。进行实验验证同时寻找并丰富原有理论。研究电路结构，搭载电路并进行试验，进行石英晶体微天平样机设计，逐步提高样机的灵敏度。14研究方案研究目标1.设计电路，达到电路对石英晶体稳定的自适应控制降低对QCM晶体厚度的高要求。2.搭载使QCM产生稳定频率的电路，根据工作原理逐步提高QCM的测量精度。3.做出实现低成本的同时提高石英晶体微天平控制精度的QCM样机。

15研究方案研究方案

画电路图产生数据文件显示分析结果标注各元件名称及参数值标注各元件节点及节点编号建立电路输入文件确定分析类型根据检验报告修改输入文件执行PSPICE仿真程序自检正确否？修改输入文件修改电路元件及参数值结果是否正确？分析结束国创答辩作品简介选题依据研究方案创新点、关键技术预期目标创新点、关键技术创新点、特色1.避开了降低石英晶体厚度来提高测量灵敏度的方法，另辟蹊径，通过计算机技术进行电路调整，实现晶体电路自适应控制来提高石英晶体微天平的灵敏度，为实际产品的开发降低成本。2.从QCM工作基本原理入手，使研究过程精细、全面，保证系统的、可行性、测量的可靠性，有效防止了沿用其他人研究成果导致的理论知识不扎实，测量精度不够也无从改进的结果。关键技术1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型，不忽略任何影响产品精确度的微小因素，使样机的设计制作变得容易，为实际产品的开发提供可靠的理论依据。2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。3.电路设计，实现晶体电路的自适应控制。可行性分析1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果，本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤都有了很好的把握。2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教材。3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定了良好的基础。预期目标项目简介选题依据研究方案创新点、关键技术预期目标可行性分析1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果，本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤都有了很好的把握。2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教材。3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定了良好的基础。可行性分析1.设计出测量精度较高且具有较好稳定性的石英晶体微天平样机一台。2.预计在项目完成后发表两篇相关论文。比赛