基于qcm传感器阵列的低功耗多功能传感器系统的制作方法
【技术领域】 [0001]
[0002] 本实用新型涉及基于QCM传感器阵列的低功耗多功能传感器系统。可以被广泛地 应用于环境监测、安防、生物量检测、化学量检测和物理量检测等领域。
【背景技术】
[0003] 在现有技术中，传感器技术发展迅猛，己成为衡量科技发展水平的重要标准之 一，它与通信技术、计算机技术一起构成信息产业的三大支柱。在传感器技术被广泛应用 的检测领域，微量检测已成为当前检测领域中的研究重点，随着待检测物质量级的减小， 对检测仪器精度的要求也越来越高，传统的度量衡显然已无法满足高精度的检测需要。石 英晶体微天平（quartz crystal microbalance, QCM)是一种对界面变化敏感的传感器， 它对界面质量变化的敏感程度达纳克级，因此它已经在物理、化学、生物学、药物学、临床医 学、环境科学等学科的界面问题研究中得到了一定的应用，成为科研工作者广泛关注和重 视的新型传感和测量方法。用以进行微量物质检测。QCM传感器作为一种高灵敏度、高稳定 度、响应快、价格低的传感器件已经在众多领域得以应用。然而，QCM在应用中面临的最大 问题之一就是受环境影响较大，尤其是温度，虽然采用AT-切割的晶体可以降低温度的敏 感性，但其性能仍然不能满足高精度测量的要求。另一个问题就是在溶液环境中，QCM频 率响应不仅依赖于表面与分析物相互作用引起的质量变化，同时与周围溶液的作用密不 可分。简单地说，同晶片一起振动的物质的质量增加会引起频率的下降，但是振动物质 的黏弹性变大则表现为频率的上升，因此QCM数据定量分析的复杂性造成了迄今为止液相 QCM的应用仅仅限于学术研究而非商业（工业）应用的现状。
[0004] 近几年来，关于QCM传感器在液相、气相及生物化学试验的研究成果也显著增 多，但从事仪器研究的报道极少，国内尚没有定型的仪器上市，这方面的技术还处于研究 阶段，较国外落后很多。
[0005] 目前，QCM在检测中的应用主要分为在气相中的应用和在液相中的应用，其测量机 理主要是：由于石英晶体的谐振特性会随着其表面物质的质量变化而变化，因此，通过检测 其谐振特性的变化就可以分析出表面质量的变化情况。而质量的变化可能是由物理、化学 以及生物反应所导致的。在生化检测中，为了完成对被检测物的检测，通常在晶体的电极表 面镀上能与被检测物反应的敏感膜，由此，生化反应的情况就可以通过分析晶体谐振特性 的变化而得到。
[0006] 现有QCM应用中，大多采用单晶体传感器结构，因此，不能解决上述问题。另一方 面，在生物、化学等检测领域中，通常通过在晶体表面覆盖能够与被检测物发生反应或能够 吸收被检测物的物质来进行检测，而采用单晶体传感器结构一次只能覆盖一种反应物质， 因此不能全面、准确地描述被检测物质。
[0007] 目前，现有的QCM都是采用单晶体作为传感器，通过在其上镀金引出电极。为了测 量晶体的谐振特性，常用的方法有三种，即振荡电路法、阻抗分析法和衰减分析法。振荡电 路法是普遍采用的方法，因为它具有价格低、集成度高、分辨率高和反应快的特点；而阻抗 分析法可以提供更完全的信息，但通常局限于实验室环境，因为低格较高，并且体积较大。 而脉冲激励的衰减分析法具有不受电路影响的特点，具有较高的精度。
[0008] 近几年，随着对检测精度要求的提高，为了克服电极表面粗糙度、多孔性、液体压 力和温度、溶液粘度和密度和液体电导等因素对测量精度的影响，出现了通过提高振荡频 率以提高测量精度的谐波测量法、通过多通道对比测量的多晶体测量法等。多通道构成主 要有两种方法，即在单晶体上构造多个测量能道和多晶体构成传感器阵列。基于单晶体构 造多通道使加工工艺复杂，且多通道之间相互影响；因此，多晶体构造传感器阵列的方法， 除可以有效克服环境因素的影响外，还可以通过在不同晶体表面镀不同的敏感膜完成对被 分析物的多角度测量或对某物质所含各种成份的一次性检出与测量，因此，具有更强的实 用性和更高的研究价值。是未来QCM发展的主要趋势。而这项研究刚刚起步，相关文献还 较少。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型的目的是针对上述不足而提供一种结构合理，能全面、准确地描述被 检测物质，满足液相检测的基于QCM传感器阵列的低功耗多功能传感器系统，以深化QCM的 应用，并为生化及相关领域提供更高性能的检测手段和方法。有效克服液相环境因素的影 响外，还可以通过在不同晶体表面镀不同的敏感膜完成对被分析物的多角度测量或对某物 质所含各种成份的一次性检出与测量。
[0010] 本实用新型的技术解决方案是：基于QCM传感器阵列的低功耗多功能传感器系 统，由QCM传感器阵列、传感器接口电路、多传感器信息采集与数据融合处理电路以及结果 显示与传输电路四部分构成。
[0011] 所述的QCM传感器阵列为四个QCM传感器。所述的传感器接口电路为四路高速高 精度ADC电路。所述的多传感器信息采集与数据融合处理电路为现场可编程门阵列FPGA 电路。所述的每个QCM传感器包括壳体，壳体内有夹在两片电极中间的石英晶体振荡片，其 特征在于：壳体为对接的上、下壳体，下壳体中部有作为溶液池的凹槽，在凹槽侧壁有密封 圈，石英晶体振荡片固定在密封圈上部，下壳体上表面有平行的电路引出槽，两电路引出槽 之间横向贯通有的石英晶体振荡片与电路部分的转接槽。
[0012] 本实用新型的优点是：1、由于能陷效应的存在，QCM元件的振动主要集中在电极 区，因此这种装卡方式可保证QCM元件在安装后仍有较高的Q值，能全面、准确地描述被 检测物质。2、基于石英晶体微天平（QCM)传感器阵列的、低功耗、高精度、可用于气相和液 相环境下，能对物质微质量、气体、液体中各种化学成份的含量进行测量；也能对各种化学 反应过程以及生物过程进行监测的多功能传感器系统。通过更换本系统各传感器表面的敏 感膜及相应分析算法，本系统就可以被广泛地应用于环境监测、安防、生物量检测、化学量 检测和物理量检测等领域。
[0013] 下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型中下壳体结构简图。
[0015] 图2是本实用新型中上壳体结构简图。
[0016] 图3是传感器系统框图。
[0017] 图4是阻抗分析原理。
[0018] 图5是衰减分析法原理。
[0019] 图6是传感器系统总体具体框图。
[0020] 图7是多传感器数据融合算法流程。
【具体实施方式】
[0021] 参见图1 - 2,零部件名称如下：上、下壳体1、2,凹槽3,引出槽4,转接槽5,密封 圈槽6,石英晶体振荡片槽7,连接螺丝孔8。
[0022] 参见图3 - 7,基于QCM传感器阵列的低功耗多功能传感器系统，由QCM传感器阵 列、传感器接口电路、多传感器信息采集与数据融合处理电路以及结果显示与传输电路四 部分构成。
[0023] QCM传感器阵列为四个QCM传感器。
[0024] 传感器接口电路为四路高速高精度ADC电路。
[0025] 多传感器信息采集与数据融合处理电路为现场可编程门阵列FPGA电路。
[0026]