專利名稱：振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微質(zhì)量測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置，以及傳感器技術(shù)和生物芯片技術(shù)。
背景技術(shù)：
石英晶體微天平是一種靈敏度極高的質(zhì)量測量裝置，能夠測量出納克量級的質(zhì)量變化，可以應(yīng)用于傳感器技術(shù)以及生物芯片技術(shù)領(lǐng)域。美國電氣和電子工程師協(xié)會2003年度傳感器會議(Sensors，2003.Proceedings of IEEE)論文集第一卷849-854頁介紹了一種基于鎖相壞技術(shù)的可以在液體中工作的石英晶體微天平測量電路，但文中所介紹的電路中沒有幅度控制的單元電路，因此無法控制石英晶體的振蕩幅度，同時該電路無法把石英晶體從電路中斷開，因而無法測量石英晶體的衰減因子。美國斯坦福儀器公司(Stanford Research System)的QCM100和QCM200型石英晶體微天平測量裝置，以及美國麥克斯泰克(Maxtek)公司的RQCM和PLO-10i型石英晶體微天平測量裝置可以測量石英晶體振子的振蕩頻率和它的等效電阻，但由于其在電路上無法把石英晶體從振蕩電路電路中斷開，因而無法測量石英晶體振子的衰減因子，同時由于其電路沒有幅度控制的單元電路，因此無法控制激勵石英晶體振子信號的強度，因此也無法控制石英晶體振子的振蕩幅度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置，以克服現(xiàn)有石英晶體微天平衰減因子測量裝置無法控制石英晶體的振蕩幅度的缺陷，使石英晶體可以振蕩在不同幅度下，從而可以研究在不同的振蕩幅度下物質(zhì)的微觀性質(zhì)。
本發(fā)明振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置，將壓控振蕩器輸出的正弦信號分為三路第一路輸入鑒相器的第一個差分輸入端的正相輸入端作為相位參考信號；第二路輸入緩沖放大器得到電壓參考信號；第三路輸入一個電壓串聯(lián)反饋放大電路的正相輸入端得到激勵信號；石英晶體振子的第一電極接到電壓串聯(lián)反饋放大器的反相輸入端，第二電極接地；電壓串聯(lián)反饋放大器的反相端與輸出端間接一電容；然后電壓參考信號輸入鑒相器的第二個差分輸入端的正端，激勵信號輸入這個差分輸入端的負(fù)端，鑒相器的輸出經(jīng)過低通濾波器后輸入積分器，積分器的輸出接在壓控振蕩器的電壓控制端；其特征在于將所述壓控振蕩器輸出的正弦信號先輸入壓控放大器，再將其輸出信號分為三路輸入后面的電路；并將所述石英晶體振子的第一電極先通過線性門再接到電壓串聯(lián)反饋放大器之反相輸入端。
本發(fā)明裝置由鑒相器、低通濾波器、積分器、壓控振蕩器和壓控放大器組成了鎖相環(huán)反饋系統(tǒng)，鑒相器實時地測量激勵信號與電壓參考信號的差值和相位參考信號間的相位差，鑒相器輸出的信號經(jīng)過低通濾波器后成為直流信號，這個直流信號經(jīng)過積分器積分后輸入到壓控振蕩器的電壓控制端可以不斷地修正壓控振蕩器輸出的信號頻率；當(dāng)壓控振蕩器輸出的信號頻率變化到與石英晶體振子的諧振頻率相同時激勵信號與電壓參考信號的差值和相位參考信號間的相位差為90°時鑒相器的輸出信號為零，于是積分器的輸出也會保持恒定，從而使壓控振蕩器輸出信號的頻率鎖定在石英晶體振子的諧振頻率上，此時裝置也就工作在石英晶體振子的諧振點上。當(dāng)裝置工作在石英晶體的諧振點上后，可以通過改變壓控放大器電壓控制端的輸入電壓來控制激勵石英晶體振子的信號強度，從而控制石英晶體振子的振蕩幅度；當(dāng)裝置工作在石英晶體的諧振點上后，可以在線性門的控制端上輸入關(guān)門信號，使石英晶體振子與其它電路斷開，于是石英晶體振子恢復(fù)工作在衰減振蕩的模式下，此時可以通過信號讀出電路測量到石英晶體振子的衰減振蕩信號。
由于本發(fā)明裝置在鎖相環(huán)反饋系統(tǒng)中增加了壓控放大器，從而使鎖相環(huán)反饋系統(tǒng)具備了控制信號強度的能力；特別是由于壓控放大器被放在了壓控振蕩器的后邊，而不是放在鎖相環(huán)反饋系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)上，使壓控放大器不會引入相位誤差，從而使本發(fā)明裝置既可以鎖定在石英晶體的諧振頻率上，又可以控制石英晶體的振蕩幅度。同時由于本發(fā)明裝置將石英晶體振子先通過一個線性門再接入振蕩電路，因此可以把處于諧振狀態(tài)的石英晶體振子從電路中斷開，從而具備了測量石英晶體的衰減因子的能力。
本發(fā)明裝置采取在壓控振蕩器輸出的正弦信號后增加壓控放大器的方式來控制激勵石英晶體的信號強度，并使用線性門把石英晶體振子與振蕩電路連接起來，與前述美國電氣和電子工程師協(xié)會2003年度傳感器會議論文集第一卷849-854頁中提到的石英晶體微天平測量電路相比，本發(fā)明不但可以同時測量石英晶體微天平的振蕩頻率衰減因子，還可以控制石英晶體的振蕩幅度并測量石英晶體的衰減因子；與美國斯坦福儀器公司(Stanford ResearchSystem)的QCM100和QCM200型儀器以及以及美國麥克斯泰克(Maxtek)公司的RQCM和PLO-10i型儀器相比，本發(fā)明裝置不但可以測量頻率，還可以測量石英晶體微天平的衰減因子并控制石英晶體的振蕩幅度。因此利用本發(fā)明裝置可以深入研究振蕩幅度對石英晶體表面所吸附物質(zhì)在納米尺度下的形態(tài)變化，深入研究原子間的作用力和摩擦力。本發(fā)明還可以應(yīng)用在傳感器特別是生物傳感器領(lǐng)域，例如可進行抗原抗體反應(yīng)測試、敏感材料的吸附特性測試，具有較廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置的原理框圖。
圖2為本發(fā)明振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置的一種具體實施電路圖。
具體實施例方式以下結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方式
。
實施例1按圖1給出的原理框圖構(gòu)建本發(fā)明振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置將壓控振蕩器U4輸出的正弦信號輸入壓控放大器U5，壓控放大器U5的電壓控制端Con1由外界輸入幅度控制信號，壓控放大器U5的輸出分為三路，第一路作為相位參考信號V3輸入到鑒相器U1的第一差分輸入端X的正相輸入端a，鑒相器U1的第一差分輸入端X的反相輸入端接地b；第二路輸入緩沖放大器U6得到電壓參考信號V1；第三路輸入電壓串聯(lián)反饋放大器U7的得到激勵信號V2，石英晶體振子U13的第一電極通過線性門U11接在電壓串聯(lián)反饋放大器U7的輸出端，線性門U11的門控端Con2由外界輸入開關(guān)門信號，石英晶體振子的第一電極與信號讀取電路U12的輸入端相連，石英晶體振子U13的第二電極接地，電壓串聯(lián)反饋放大器U7的反相端與輸出端間接一反饋電容C1；然后將電壓參考信號V1輸入鑒相器U1的第二差分輸入端Y的反相端d，激勵信號V2輸入鑒相器U1的第二差分輸入端Y的正相端c；鑒相器U1的輸出經(jīng)過低通濾波器U2后輸入積分器U3，而積分器U3的輸出則輸入壓控振蕩器U4的電壓控制端。
圖2為本實施例振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置的具體電路圖。在本實施例裝置中，壓控振蕩器U4使用美信公司的MAX038型壓控振蕩器。U4的20腳接負(fù)5伏并通過1微發(fā)電容C39與0.1微發(fā)電容C22接地，17、3、4腳接正5伏，17腳通過1微發(fā)電容C40與0.1微發(fā)電容C23接地，2、6、7、9、11、12、13、15、18腳接地，5腳通過20皮法電容C10接地，1腳與地之間接1個0.1微法電容C14；1腳與8腳之間接1個10000歐姆電阻R17；1腳與10腳之間串聯(lián)1個20000歐姆可調(diào)電阻R42與1個100歐姆電阻R18。壓控放大器U5使用模擬器件公司(美國AD公司)的AD835型乘法器。U5的1腳與U9的19腳相連，2腳接地；3腳接負(fù)5伏并通過0.1微發(fā)電容C6接地，6腳接正5伏并通過0.1微發(fā)電容C5接地；7腳接地；8腳為幅度控制信號輸入端Con1；4腳通過一個900歐姆電阻R4接地，并且4腳與5腳之間接1個1000歐姆電阻R5，5腳接頻率輸出端OUT1的信號端，OUT1的接地端接地。緩沖放大器U6與電壓串聯(lián)反饋放大器U7采用了德州儀器公司的OPA2652型運算放大器，OPA2652它集成了兩個運算放大器，U6使用了OPA2652的一號放大器，U7使用了OPA2652的二號放大器。U6的3腳與U5的5腳相連，1腳和2腳之間接一個200歐姆電阻R3。U7的4腳接負(fù)5伏電壓并通過0.1微發(fā)電容C24接地，8腳接正5伏電壓并通過0.1微發(fā)電容C2接地，5腳通過200歐姆R2電阻接地，6腳與7腳之間接一個20皮法反饋電容C1。線性門U11采用美信公司的MAX4522。U11的3腳與U7的6腳相連，2腳與地之間接石英晶體U13，1腳為線性門的門控信號輸入端Con2，4腳接負(fù)5伏電壓并通過0.1微發(fā)電容C9接地，13腳接正5伏電壓并通過0.1微發(fā)電容C8接地，5腳接地。鑒相器U1，使用模擬器件公司(美國AD公司)AD835型乘法器。U1的8腳與U5的5腳連接，1腳與U6的1腳相連，2腳與U7的7腳相連，7腳接地，3腳接負(fù)5伏并通過0.1微發(fā)電容C4接地，6腳接正5伏并通過0.1微發(fā)電容C3接地，4腳通過一個900歐姆電阻R9接地，并且4腳與5腳之間接1個1000歐姆電阻R13。低通濾波器U2是由一個100000歐姆電阻R15與一個1微法的濾波電容C16串聯(lián)組成的低通阻容網(wǎng)絡(luò)，其中C16兩端并聯(lián)一個10000歐姆電阻R14，電阻R15的第一腳接U1的5腳，電阻R15的第二腳通過電容C16接地。積分器U3采用德州儀器公司的OP27運算放大器。U3的3腳接地，2腳與低通阻容網(wǎng)絡(luò)U2的電阻R15的第二腳通過一個30歐姆電阻R16相連；2腳與6腳間串聯(lián)1000皮法電容C17與100歐姆電阻R24，同時二極管D2的陽極接2腳陰極接6腳；4腳接負(fù)五伏并通過0.1微發(fā)電容C21接地，7腳接正5伏并通過0.1微發(fā)電容C20接地，1、8腳接地，6腳與壓控振蕩器U4的8腳相連。信號讀出電路U12采用模擬器件公司(美國AD公司)的AD8038型運算放大器。信號讀出電路的接法為，石英晶體第一電極通過1納法電容C28接到由1兆歐姆電阻R29串聯(lián)1兆歐姆電阻R28組成的分壓電路上，其中一個5皮法的電容C12并連在R29兩端，R28與R29不相連的那一端接地；分壓電路的公共端通過一個30歐姆電阻R31接U12的3腳；U12的2腳和6腳串聯(lián)一個100歐姆的電阻R27，2腳通過一個100歐姆的電阻R26接地；U12的6腳接一個30歐姆電阻R19的第一端，R19的第二端通過50歐姆電阻R43接地同時輸入到信號輸出接口OUT2的信號端，信號輸出接口OUT2的接地端接地；U12的7腳接正5伏并通過1微發(fā)電容C29與0.1微發(fā)電容C15接地，5腳接負(fù)5伏通過1微發(fā)電容C32與0.1微發(fā)電容C16接地，4腳和8腳懸空。本實施例中的正5伏電源通過U14三端直流穩(wěn)壓芯片7805提供。7805的1腳接由外界輸入的正12伏電壓，2腳接地，3腳輸出正5伏電壓。負(fù)5伏電源通過U15三端直流穩(wěn)壓芯片7905提供。7905的2腳接由外界輸入的負(fù)12伏電壓，1腳接地，3腳輸出負(fù)5伏電壓。
使用時，振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置的鑒相器U1、低通阻容網(wǎng)絡(luò)U2、積分器U3、壓控振蕩器U4和壓控放大器U5構(gòu)成了鎖相環(huán)反饋系統(tǒng)。鑒相器U1實時的測量V2-V1與V3間的相位差，它輸出的信號經(jīng)過低通阻容網(wǎng)絡(luò)后成為直流信號。這個直流信號經(jīng)過積分器積分后輸入到壓控振蕩器U4的電壓控制端，不斷的修正壓控振蕩器U4輸出的信號頻率。當(dāng)壓控振蕩器U4輸出的信號頻率變化到與石英晶體振子的諧振頻率相同時V2-V1與V3間的相位差為90°，因此鑒相器1的輸出信號為零，于是積分器的輸出也會保持恒定從而使壓控振蕩器U4輸出信號的頻率鎖定在石英晶體振子的諧振頻率上，那么此時裝置也就工作在石英晶體振子的諧振點上。當(dāng)裝置工作在石英晶體的諧振點上后可以通過改變壓控放大器U5的電壓控制端Con2的輸入電壓來控制激勵石英晶體振子的信號的強度，從而控制石英晶體振子的振蕩幅度。當(dāng)裝置工作在石英晶體的諧振點上后可以在線性門U1開關(guān)門門控端Con2輸入關(guān)門信號，使石英晶體振子與其它電路斷開，于是石英晶體振子工作在衰減振蕩的模式下，此時可以通過信號讀出電路U12測量到石英晶體振子的衰減振蕩信號。
綜上所述，本發(fā)明振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置不但可以測量石英晶體振子的諧振頻率，實現(xiàn)前述國外公司產(chǎn)品的功能；更重要的是它可以測量石英晶體的衰減因子并控制石英晶體振子的振蕩幅度，因此可以提供研究原子間作用力與摩擦力的手段，并可以提供研究晶體振子的振蕩幅度對石英晶體表面吸附物質(zhì)質(zhì)在納米尺度下的形態(tài)變化的手段。
權(quán)利要求
1.一種振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置，將壓控振蕩器輸出的正弦信號分為三路第一路輸入鑒相器的第一個差分輸入端的正相輸入端作為相位參考信號；第二路輸入緩沖放大器得到電壓參考信號；第三路輸入一個電壓串聯(lián)反饋放大電路的正相輸入端得到激勵信號；石英晶體振子的第一電極接到電壓串聯(lián)反饋放大器的反相輸入端，第二電極接地；電壓串聯(lián)反饋放大器的反相端與輸出端間接一電容；然后電壓參考信號輸入鑒相器的第二個差分輸入端的正端，激勵信號輸入這個差分輸入端的負(fù)端，鑒相器的輸出經(jīng)過低通濾波器后輸入積分器，積分器的輸出接在壓控振蕩器的電壓控制端；其特征在于將所述壓控振蕩器輸出的正弦信號先輸入壓控放大器，再將其輸出信號分為三路輸入后面的電路；并將所述石英晶體振子的第一電極先通過線性門再接到電壓串聯(lián)反饋放大器之反相輸入端。
全文摘要
本發(fā)明振蕩幅度可控的石英晶體微天平衰減因子測量裝置，特征是先將壓控振蕩器輸出信號輸入壓控放大器，其輸出信號一路輸入鑒相器差分輸入端的正相端作為相位參考信號；第二路輸入緩沖放大器得電壓參考信號；第三路輸入電壓串聯(lián)反饋放大電路的正相輸入端得激勵信號；石英晶體振子的一個電極先通過線性門再接到電壓串聯(lián)反饋放大器之反相輸入端，另一電極接地；電壓串聯(lián)反饋放大器的反相端與輸出端間接一電容；電壓參考信號輸入鑒相器另一差分輸入端的正端，激勵信號輸入該差分輸入端的負(fù)端，鑒相器的輸出經(jīng)低通濾波器后輸入積分器，再輸出至壓控振蕩器的電壓控制端。采用本裝置能測量石英晶體微天平振蕩頻率和衰減因子并控制石英晶體振蕩幅度。
文檔編號H03B5/32GK1884983SQ20061008636
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者吳崑, 朱大鳴, 吳兵, 方佳節(jié), 杜先彬, 王萍 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)