石英晶体微天平
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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。
作品简介 石英晶体微天平
4
样
品
Q
C
M
的
微
质
量
和
温
度
测
符7石.合9英9要M空求H间的z 结Q振C构荡M波样形品
试
国创答辩 前期基础
选题依据
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。
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。
国选内题外依现据状分国析内外状况分析
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 应用价值
10
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案 国研创究答方辩案
预期成果
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。
研究方案 研究内容
12
研 究 方 案
Байду номын сангаас
型 进 论 研 进及 行 。 究 行压 Q的 面 对C构电 实 电 石电 振 扎QM建C路 验 路 英效 荡 实从M的数仿 验 结 晶应 电 地石原工学真证构体， 路 掌英理作模模同，微频等握晶和的型型时搭天率进石体应影（）寻载平特行英内用响构进找电样性研晶部，。建行并路机，究体结晶理丰并设，特Q构体C论富进计全质，M仿原行，工真有试逐作。理验步模，
创新点、特色
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。
关键技术
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。
执行PSPICE仿真程 序
结果是否正 确？
分析结 束
修改输入 文件
修改电路 元件及参
数值
研究方案 研究方案
15
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
创国新创点答、辩关键技术
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。
提高样机的灵敏度。
国创答辩 研究内容
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。
研究方案 研究目标
14
建立电路输入文件确 定分析类型
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
课 选题背依景据
国内： 起步阶段 跟踪成果
研究分散 稳定性不好
PowerPoit 2003
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。
选题依据 国内外现状分析
选题依据 学术价值
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。
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介 研究方案 预期目标
预期目标
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。
石物 理英 学晶 体院 微 国天 平创 项 (QCM) 原目 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平（ Quartz crystal microbalance ） 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。
作品简介 石英晶体微天平
4
样
品
Q
C
M
的
微
质
量
和
温
度
测
符7石.合9英9要M空求H间的z 结Q振C构荡M波样形品
试
国创答辩 前期基础
选题依据
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。
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。
国选内题外依现据状分国析内外状况分析
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 应用价值
10
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案 国研创究答方辩案
预期成果
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。
研究方案 研究内容
12
研 究 方 案
Байду номын сангаас
型 进 论 研 进及 行 。 究 行压 Q的 面 对C构电 实 电 石电 振 扎QM建C路 验 路 英效 荡 实从M的数仿 验 结 晶应 电 地石原工学真证构体， 路 掌英理作模模同，微频等握晶和的型型时搭天率进石体应影（）寻载平特行英内用响构进找电样性研晶部，。建行并路机，究体结晶理丰并设，特Q构体C论富进计全质，M仿原行，工真有试逐作。理验步模，
创新点、特色
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。
关键技术
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。
执行PSPICE仿真程 序
结果是否正 确？
分析结 束
修改输入 文件
修改电路 元件及参
数值
研究方案 研究方案
15
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
创国新创点答、辩关键技术
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。
提高样机的灵敏度。
国创答辩 研究内容
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。
研究方案 研究目标
14
建立电路输入文件确 定分析类型
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
课 选题背依景据
国内： 起步阶段 跟踪成果
研究分散 稳定性不好
PowerPoit 2003
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。
选题依据 国内外现状分析
选题依据 学术价值
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。
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介 研究方案 预期目标
预期目标
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。
石物 理英 学晶 体院 微 国天 平创 项 (QCM) 原目 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平（ Quartz crystal microbalance ） 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。