CN1884983A

CN1884983A - 振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置

Info

Publication number: CN1884983A
Application number: CN 200610086363
Authority: CN
Inventors: 吴崑; 朱大鸣; 吴兵; 方佳节; 杜先彬; 王萍
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2006-12-27

Abstract

本发明振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置，特征是先将压控振荡器输出信号输入压控放大器，其输出信号一路输入鉴相器差分输入端的正相端作为相位参考信号；第二路输入缓冲放大器得电压参考信号；第三路输入电压串联反馈放大电路的正相输入端得激励信号；石英晶体振子的一个电极先通过线性门再接到电压串联反馈放大器之反相输入端，另一电极接地；电压串联反馈放大器的反相端与输出端间接一电容；电压参考信号输入鉴相器另一差分输入端的正端，激励信号输入该差分输入端的负端，鉴相器的输出经低通滤波器后输入积分器，再输出至压控振荡器的电压控制端。采用本装置能测量石英晶体微天平振荡频率和衰减因子并控制石英晶体振荡幅度。

Description

振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置

技术领域：

本发明属于微质量测量技术领域，特别涉及振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置，以及传感器技术和生物芯片技术。

背景技术：

石英晶体微天平是一种灵敏度极高的质量测量装置，能够测量出纳克量级的质量变化，可以应用于传感器技术以及生物芯片技术领域。美国电气和电子工程师协会2003年度传感器会议(Sensors，2003.Proceedings of IEEE)论文集第一卷849-854页介绍了一种基于锁相坏技术的可以在液体中工作的石英晶体微天平测量电路，但文中所介绍的电路中没有幅度控制的单元电路，因此无法控制石英晶体的振荡幅度，同时该电路无法把石英晶体从电路中断开，因而无法测量石英晶体的衰减因子。美国斯坦福仪器公司(Stanford Research System)的QCM100和QCM200型石英晶体微天平测量装置，以及美国麦克斯泰克(Maxtek)公司的RQCM和PLO-10i型石英晶体微天平测量装置可以测量石英晶体振子的振荡频率和它的等效电阻，但由于其在电路上无法把石英晶体从振荡电路电路中断开，因而无法测量石英晶体振子的衰减因子，同时由于其电路没有幅度控制的单元电路，因此无法控制激励石英晶体振子信号的强度，因此也无法控制石英晶体振子的振荡幅度。

发明内容

本发明的目的是提出一种振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置，以克服现有石英晶体微天平衰减因子测量装置无法控制石英晶体的振荡幅度的缺陷，使石英晶体可以振荡在不同幅度下，从而可以研究在不同的振荡幅度下物质的微观性质。

本发明振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置，将压控振荡器输出的正弦信号分为三路：第一路输入鉴相器的第一个差分输入端的正相输入端作为相位参考信号；第二路输入缓冲放大器得到电压参考信号；第三路输入一个电压串联反馈放大电路的正相输入端得到激励信号；石英晶体振子的第一电极接到电压串联反馈放大器的反相输入端，第二电极接地；电压串联反馈放大器的反相端与输出端间接一电容；然后电压参考信号输入鉴相器的第二个差分输入端的正端，激励信号输入这个差分输入端的负端，鉴相器的输出经过低通滤波器后输入积分器，积分器的输出接在压控振荡器的电压控制端；其特征在于：将所述压控振荡器输出的正弦信号先输入压控放大器，再将其输出信号分为三路输入后面的电路；并将所述石英晶体振子的第一电极先通过线性门再接到电压串联反馈放大器之反相输入端。

本发明装置由鉴相器、低通滤波器、积分器、压控振荡器和压控放大器组成了锁相环反馈系统，鉴相器实时地测量激励信号与电压参考信号的差值和相位参考信号间的相位差，鉴相器输出的信号经过低通滤波器后成为直流信号，这个直流信号经过积分器积分后输入到压控振荡器的电压控制端可以不断地修正压控振荡器输出的信号频率；当压控振荡器输出的信号频率变化到与石英晶体振子的谐振频率相同时激励信号与电压参考信号的差值和相位参考信号间的相位差为90°时鉴相器的输出信号为零，于是积分器的输出也会保持恒定，从而使压控振荡器输出信号的频率锁定在石英晶体振子的谐振频率上，此时装置也就工作在石英晶体振子的谐振点上。当装置工作在石英晶体的谐振点上后，可以通过改变压控放大器电压控制端的输入电压来控制激励石英晶体振子的信号强度，从而控制石英晶体振子的振荡幅度；当装置工作在石英晶体的谐振点上后，可以在线性门的控制端上输入关门信号，使石英晶体振子与其它电路断开，于是石英晶体振子恢复工作在衰减振荡的模式下，此时可以通过信号读出电路测量到石英晶体振子的衰减振荡信号。

由于本发明装置在锁相环反馈系统中增加了压控放大器，从而使锁相环反馈系统具备了控制信号强度的能力；特别是由于压控放大器被放在了压控振荡器的后边，而不是放在锁相环反馈系统的其它环节上，使压控放大器不会引入相位误差，从而使本发明装置既可以锁定在石英晶体的谐振频率上，又可以控制石英晶体的振荡幅度。同时由于本发明装置将石英晶体振子先通过一个线性门再接入振荡电路，因此可以把处于谐振状态的石英晶体振子从电路中断开，从而具备了测量石英晶体的衰减因子的能力。

本发明装置采取在压控振荡器输出的正弦信号后增加压控放大器的方式来控制激励石英晶体的信号强度，并使用线性门把石英晶体振子与振荡电路连接起来，与前述美国电气和电子工程师协会2003年度传感器会议论文集第一卷849-854页中提到的石英晶体微天平测量电路相比，本发明不但可以同时测量石英晶体微天平的振荡频率衰减因子，还可以控制石英晶体的振荡幅度并测量石英晶体的衰减因子；与美国斯坦福仪器公司(Stanford ResearchSystem)的QCM100和QCM200型仪器以及以及美国麦克斯泰克(Maxtek)公司的RQCM和PLO-10i型仪器相比，本发明装置不但可以测量频率，还可以测量石英晶体微天平的衰减因子并控制石英晶体的振荡幅度。因此利用本发明装置可以深入研究振荡幅度对石英晶体表面所吸附物质在纳米尺度下的形态变化，深入研究原子间的作用力和摩擦力。本发明还可以应用在传感器特别是生物传感器领域，例如可进行抗原抗体反应测试、敏感材料的吸附特性测试，具有较广阔的应用前景。

附图说明：

图1为本发明振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置的原理框图。

图2为本发明振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置的一种具体实施电路图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

按图1给出的原理框图构建本发明振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置：将压控振荡器U4输出的正弦信号输入压控放大器U5，压控放大器U5的电压控制端Con1由外界输入幅度控制信号，压控放大器U5的输出分为三路，第一路作为相位参考信号V3输入到鉴相器U1的第一差分输入端X的正相输入端a，鉴相器U1的第一差分输入端X的反相输入端接地b；第二路输入缓冲放大器U6得到电压参考信号V1；第三路输入电压串联反馈放大器U7的得到激励信号V2，石英晶体振子U13的第一电极通过线性门U11接在电压串联反馈放大器U7的输出端，线性门U11的门控端Con2由外界输入开关门信号，石英晶体振子的第一电极与信号读取电路U12的输入端相连，石英晶体振子U13的第二电极接地，电压串联反馈放大器U7的反相端与输出端间接一反馈电容C1；然后将电压参考信号V1输入鉴相器U1的第二差分输入端Y的反相端d，激励信号V2输入鉴相器U1的第二差分输入端Y的正相端c；鉴相器U1的输出经过低通滤波器U2后输入积分器U3，而积分器U3的输出则输入压控振荡器U4的电压控制端。

图2为本实施例振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置的具体电路图。在本实施例装置中，压控振荡器U4使用美信公司的MAX038型压控振荡器。U4的20脚接负5伏并通过1微发电容C39与0.1微发电容C22接地，17、3、4脚接正5伏，17脚通过1微发电容C40与0.1微发电容C23接地，2、6、7、9、11、12、13、15、18脚接地，5脚通过20皮法电容C10接地，1脚与地之间接1个0.1微法电容C14；1脚与8脚之间接1个10000欧姆电阻R17；1脚与10脚之间串联1个20000欧姆可调电阻R42与1个100欧姆电阻R18。压控放大器U5使用模拟器件公司(美国AD公司)的AD835型乘法器。U5的1脚与U9的19脚相连，2脚接地；3脚接负5伏并通过0.1微发电容C6接地，6脚接正5伏并通过0.1微发电容C5接地；7脚接地；8脚为幅度控制信号输入端Con1；4脚通过一个900欧姆电阻R4接地，并且4脚与5脚之间接1个1000欧姆电阻R5，5脚接频率输出端OUT1的信号端，OUT1的接地端接地。缓冲放大器U6与电压串联反馈放大器U7采用了德州仪器公司的OPA2652型运算放大器，OPA2652它集成了两个运算放大器，U6使用了OPA2652的一号放大器，U7使用了OPA2652的二号放大器。U6的3脚与U5的5脚相连，1脚和2脚之间接一个200欧姆电阻R3。U7的4脚接负5伏电压并通过0.1微发电容C24接地，8脚接正5伏电压并通过0.1微发电容C2接地，5脚通过200欧姆R2电阻接地，6脚与7脚之间接一个20皮法反馈电容C1。线性门U11采用美信公司的MAX4522。U11的3脚与U7的6脚相连，2脚与地之间接石英晶体U13，1脚为线性门的门控信号输入端Con2，4脚接负5伏电压并通过0.1微发电容C9接地，13脚接正5伏电压并通过0.1微发电容C8接地，5脚接地。鉴相器U1，使用模拟器件公司(美国AD公司)AD835型乘法器。U1的8脚与U5的5脚连接，1脚与U6的1脚相连，2脚与U7的7脚相连，7脚接地，3脚接负5伏并通过0.1微发电容C4接地，6脚接正5伏并通过0.1微发电容C3接地，4脚通过一个900欧姆电阻R9接地，并且4脚与5脚之间接1个1000欧姆电阻R13。低通滤波器U2是由一个100000欧姆电阻R15与一个1微法的滤波电容C16串联组成的低通阻容网络，其中C16两端并联一个10000欧姆电阻R14，电阻R15的第一脚接U1的5脚，电阻R15的第二脚通过电容C16接地。积分器U3采用德州仪器公司的OP27运算放大器。U3的3脚接地，2脚与低通阻容网络U2的电阻R15的第二脚通过一个30欧姆电阻R16相连；2脚与6脚间串联1000皮法电容C17与100欧姆电阻R24，同时二极管D2的阳极接2脚阴极接6脚；4脚接负五伏并通过0.1微发电容C21接地，7脚接正5伏并通过0.1微发电容C20接地，1、8脚接地，6脚与压控振荡器U4的8脚相连。信号读出电路U12采用模拟器件公司(美国AD公司)的AD8038型运算放大器。信号读出电路的接法为，石英晶体第一电极通过1纳法电容C28接到由1兆欧姆电阻R29串联1兆欧姆电阻R28组成的分压电路上，其中一个5皮法的电容C12并连在R29两端，R28与R29不相连的那一端接地；分压电路的公共端通过一个30欧姆电阻R31接U12的3脚；U12的2脚和6脚串联一个100欧姆的电阻R27，2脚通过一个100欧姆的电阻R26接地；U12的6脚接一个30欧姆电阻R19的第一端，R19的第二端通过50欧姆电阻R43接地同时输入到信号输出接口OUT2的信号端，信号输出接口OUT2的接地端接地；U12的7脚接正5伏并通过1微发电容C29与0.1微发电容C15接地，5脚接负5伏通过1微发电容C32与0.1微发电容C16接地，4脚和8脚悬空。本实施例中的正5伏电源通过U14三端直流稳压芯片7805提供。7805的1脚接由外界输入的正12伏电压，2脚接地，3脚输出正5伏电压。负5伏电源通过U15三端直流稳压芯片7905提供。7905的2脚接由外界输入的负12伏电压，1脚接地，3脚输出负5伏电压。

使用时，振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置的鉴相器U1、低通阻容网络U2、积分器U3、压控振荡器U4和压控放大器U5构成了锁相环反馈系统。鉴相器U1实时的测量V2-V1与V3间的相位差，它输出的信号经过低通阻容网络后成为直流信号。这个直流信号经过积分器积分后输入到压控振荡器U4的电压控制端，不断的修正压控振荡器U4输出的信号频率。当压控振荡器U4输出的信号频率变化到与石英晶体振子的谐振频率相同时V2-V1与V3间的相位差为90°，因此鉴相器1的输出信号为零，于是积分器的输出也会保持恒定从而使压控振荡器U4输出信号的频率锁定在石英晶体振子的谐振频率上，那么此时装置也就工作在石英晶体振子的谐振点上。当装置工作在石英晶体的谐振点上后可以通过改变压控放大器U5的电压控制端Con2的输入电压来控制激励石英晶体振子的信号的强度，从而控制石英晶体振子的振荡幅度。当装置工作在石英晶体的谐振点上后可以在线性门U1开关门门控端Con2输入关门信号，使石英晶体振子与其它电路断开，于是石英晶体振子工作在衰减振荡的模式下，此时可以通过信号读出电路U12测量到石英晶体振子的衰减振荡信号。

综上所述，本发明振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置不但可以测量石英晶体振子的谐振频率，实现前述国外公司产品的功能；更重要的是它可以测量石英晶体的衰减因子并控制石英晶体振子的振荡幅度，因此可以提供研究原子间作用力与摩擦力的手段，并可以提供研究晶体振子的振荡幅度对石英晶体表面吸附物质质在纳米尺度下的形态变化的手段。

Claims

1、一种振荡幅度可控的石英晶体微天平衰减因子测量装置，将压控振荡器输出的正弦信号分为三路：第一路输入鉴相器的第一个差分输入端的正相输入端作为相位参考信号；第二路输入缓冲放大器得到电压参考信号；第三路输入一个电压串联反馈放大电路的正相输入端得到激励信号；石英晶体振子的第一电极接到电压串联反馈放大器的反相输入端，第二电极接地；电压串联反馈放大器的反相端与输出端间接一电容；然后电压参考信号输入鉴相器的第二个差分输入端的正端，激励信号输入这个差分输入端的负端，鉴相器的输出经过低通滤波器后输入积分器，积分器的输出接在压控振荡器的电压控制端；其特征在于：将所述压控振荡器输出的正弦信号先输入压控放大器，再将其输出信号分为三路输入后面的电路；并将所述石英晶体振子的第一电极先通过线性门再接到电压串联反馈放大器之反相输入端。