大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于石英晶體的生物傳感器的研究

1、基于石英晶體的生物傳感器的研究摘要凝血因子的分析在臨床檢查中被廣泛應(yīng)用，目前所有的檢測方法都是以凝集反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過血液凝集過程中反應(yīng)體系的粘度、密度等的變化來判斷血液凝集反應(yīng)的終點(diǎn)。血液凝集終點(diǎn)的判斷可通過自動化儀器或肉眼觀察。肉眼觀察，秒表計(jì)時(shí)，檢測結(jié)果誤差大，重復(fù)性較差；自動化儀器結(jié)果準(zhǔn)確、快速、重復(fù)性好，但儀器昂貴、檢測成本高，故需尋找一種靈敏、簡單、精確測量、成本低廉的新檢測方法。壓電石英諧振測量技術(shù)能夠準(zhǔn)確地測量出微觀反應(yīng)過程中的微小變化并轉(zhuǎn)化為可以定量檢測的頻率信號，具有亞ng級別的質(zhì)檢能力，從而為獲取反應(yīng)體系豐富的在線實(shí)時(shí)信息提供了一種簡單、快捷的手段。我們將血液凝集反應(yīng)與之結(jié)

2、合，通過適當(dāng)?shù)纳飳W(xué)處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建出一個(gè)基于壓電石英晶體傳感技術(shù)的血漿凝血因子檢測系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)，采用等精度測頻對壓電石英生物傳感器的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)。以壓電石英晶體傳感器振蕩頻率檢測系統(tǒng)為平臺，建立了壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)模型。結(jié)果表明：本檢測系統(tǒng)提高了凝血因子檢測的方便性、精度和一致性，具有精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的推廣前景。關(guān)鍵詞壓電石英晶體；生物傳感器；檢測 studies of biosensor based on piezoelectric quartz crystalabstractthe analyses of coagulation factor has

3、been widely used in the clinical examination, now all kinds of detection methods based on agglutination, the end of the blood agglutination is judged by the viscosity and density of reaction system during blood agglutination. the end of the blood agglutination is judged by automated equipment or vis

4、ual observation. the error of detection is big and poor repeatability by visual inspection and stopwatch time. the results obtained by automation equipment is accurate, rapid and reproducible, but the equipment is expensive and testing cost is high, so a sensitive, simple, precise measurement, low-c

5、ost new detection method is developed.piezoelectric quartz resonator measurement technique can accurately measure the small change in the microcosmic reaction process and can be transformed into quantitative detection frequency signal, with sub-ng level quality inspection capabilities, so a simple a

6、nd fast method is provided for obtaining the abundant online real-time information of response system. combined with the blood agglutination, through appropriate biological processing and structural design, we propose a plasma coagulation factor detection system sensor based on piezoelectric quartz

7、crystal technology. the frequency count of hardware structure of piezoelectric crystal biosensor is designed based on microcontroller, using equal precision frequency measure. using piezoelectric quartz crystal sensor oscillation frequency detection system for the platform, we establish piezoelectri

8、c sensor frequency dynamic response model. the results showed that: the detection system improve convenience, consistency, and accuracy of detection coagulation factor, with low cost, high accuracy and widely popularizing prospect.keywords piezoelectric quartz crystal; biosensor; detection目錄摘要iabstr

9、actii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 壓電傳感器的發(fā)展史21.3 壓電生物傳感器的研究進(jìn)展31.4 論文研究內(nèi)容4第2章 壓電生物傳感器與凝血因子檢測系統(tǒng)62.1 硅材料62.2 壓電石英晶體傳感器的基本原理62.2.1 壓電石英晶體62.2.2 切型及金屬電極的選擇82.2.3 sauerbery方程82.2.4 振蕩電路92.2.5 液相壓電傳感理論92.3 凝血因子檢測系統(tǒng)122.3.1 凝血因子檢測方法122.3.2 石英振子的加工制備132.3.3 壓電傳感器檢測池的設(shè)計(jì)142.3.4 檢測儀的設(shè)計(jì)152.4 本章小結(jié)16第3章 壓電石英傳感器頻率測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)173.1

10、 頻率的測量173.1.1 等精度頻率的測量技術(shù)173.1.2 等精度頻率測量的基本原理173.1.3 等精度測頻的測量誤差193.2 石英晶體傳感器凝血因子-頻率檢測193.2.1 壓電石英晶體傳感器等精度頻率測量的硬件實(shí)現(xiàn)193.2.2壓電石英晶體傳感器等精度測頻的軟件實(shí)現(xiàn)253.3 本章小結(jié)26第4章 壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)模型的建立274.1 凝血反應(yīng)體系粘度密度變化規(guī)律274.2 壓電石英晶體傳感器頻率變化與性質(zhì)的關(guān)系284.3 粘度密度乘積變化與f的關(guān)系284.4 粘度密度乘積變化與f的關(guān)系284.5 本章小結(jié)30結(jié)論31致謝32參考文獻(xiàn)33附錄a33附錄b40千萬不要刪除行尾的分

11、節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景現(xiàn)代生物分析技術(shù)研究和發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)就是努力簡化分析方法，使之能夠在普通和常規(guī)條件下進(jìn)行，并盡量減少操作技巧。在應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域，分析系統(tǒng)操作步驟和技巧的任何簡化，都被視為應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步1。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)進(jìn)行的種種成功嘗試使生物傳感器應(yīng)運(yùn)而生，并呈迅猛發(fā)展之勢。發(fā)達(dá)國家已形成了傳感器研究開發(fā)產(chǎn)業(yè)，無論在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究，還是在新產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面都取得了驚人的成果2。近年來我國也逐漸加入了傳感器技術(shù)的研究與開發(fā)力度，許多企業(yè)和民間資本

12、更是瞄準(zhǔn)了生物傳感器廣闊的市場開發(fā)前景和誘人的高額利潤，不惜投入巨資紛紛涉足這一高科技領(lǐng)域，組建了多個(gè)專門從事生物傳感器研究的機(jī)構(gòu)，掀起了生物傳感器研究的熱潮，極大地推動了生物傳感器的研究、開發(fā)與應(yīng)用。壓電生物傳感器在生命科學(xué)中的應(yīng)用研究與探索也成為近年來熱點(diǎn)研究方向。壓電石英晶體生物傳感器正以其靈敏的壓電質(zhì)量傳感功能及其簡單的儀器裝置、快捷的分析速度、低廉的檢測成本等優(yōu)點(diǎn)而博得化學(xué)生物學(xué)研究人員的青睞。壓電石英晶體傳感技術(shù)是20世紀(jì)60年代建立起來的一種新型傳感測量技術(shù)。在20世紀(jì)80年代壓電石英晶體在液相穩(wěn)定振蕩獲得成功后，壓電石英諧振測量技術(shù)才開始廣泛應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域。石英晶體振蕩頻

13、率對晶體表面質(zhì)量負(fù)載和反應(yīng)體系物理性狀如密度、粘度、電導(dǎo)率等的改變高度敏感，具有亞ng級的質(zhì)量檢測靈敏度，能夠敏感地測量微觀反應(yīng)過程中的微小變化并轉(zhuǎn)化為可以定量檢測的頻率信號，為獲取反應(yīng)體系豐富的實(shí)時(shí)在線信息提供了一種簡單、快捷的可靠手段。因此，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域極富有應(yīng)用前景3。上述石英晶體生物傳感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：1經(jīng)濟(jì)性與簡便性：通常是選擇性好的生物材料構(gòu)成的分子識別元件，因此一般不需要進(jìn)行樣品的預(yù)處理，它利用優(yōu)異的選擇性把樣品中的被檢測組分的分離與檢測統(tǒng)籌為一體，測定時(shí)一般不需要另外添加其他試劑，克服了過去試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。2專一性與特異性：只對

14、特定物質(zhì)起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。因?yàn)樯飩鞲衅髦饕抢妹负偷孜?、抗原和抗體、dna-dna或dna-rna等特異性識別機(jī)理，所以具有其他化學(xué)法無法比擬的優(yōu)越性。3便攜性與實(shí)時(shí)性：體積小便于攜帶，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線實(shí)時(shí)檢測和現(xiàn)場檢測。4易操作與自動化：操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動分析，準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1%。5成本低與便推廣：樣品用量小，響應(yīng)快，并且由于敏感材料是固定化的可以反復(fù)使用多次，傳感器本身成本低，價(jià)格低廉，便于推廣應(yīng)用。1.2 壓電傳感器的發(fā)展史1880年，比爾和約克居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)石英等一些晶體的壓電現(xiàn)象4。他們指出，表面所形成的電荷和外加壓力成正比。壓電效應(yīng)

15、包含有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩個(gè)方面。前者是指當(dāng)壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，在其某些對應(yīng)的面上會出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷，也即沒有電場作用，只是由于形變而產(chǎn)生極化現(xiàn)象；反之，在此類晶體上施加電壓，則晶體會發(fā)生形變，這稱為逆壓電效應(yīng)。壓電傳感器就是利用了壓電材料所具有的壓電效應(yīng)，如以壓電石英晶體(piezoelectric quartz crystal，簡稱pqc)等一類壓電材料為基底的體聲波器件在厚度剪切模式振蕩過程中與周邊環(huán)境的相互作用，由器件超高頻聲波的聲電阻抗譜、頻譜或相位等的參量變化來對黃精介質(zhì)包括質(zhì)量、粘彈性、導(dǎo)納、介電或流變特性、離子/溶劑傳輸?shù)任锢?、化學(xué)性能作出相關(guān)應(yīng)答并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)傳感

16、檢測信號，獲取有關(guān)目標(biāo)組成或多元組分體系的成分、性狀的一維或多維信息，以求得到對象的全面、動態(tài)、實(shí)時(shí)或在位描述，用于化學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的傳輸檢測5。目前應(yīng)用最廣泛的是市售的三明治式壓電石英晶體。專門用于檢測質(zhì)量負(fù)載的pqc傳感器稱為石英晶體微天平（quartz crystal microbalance,簡稱qcm）。qcm的應(yīng)用始于60年代初，是一種非常靈敏的質(zhì)量監(jiān)測器，可以進(jìn)行納克級的質(zhì)量測定6。1959年g.z.sauerbery7導(dǎo)出了qcm的頻率響應(yīng)與沉積在其電極表面的質(zhì)量的關(guān)系： (11)其中 、a、和 分別為石英晶體的基頻、電極的面積、彈性模量和密度。由于

17、sauerbery方程首先是在真空或氣相條件下導(dǎo)出的，1964年king首先利用qcm技術(shù)成功地支撐氣體傳感器使得qcm在氣相分析等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)8已做了詳細(xì)的綜述。進(jìn)入80年代，壓電傳感領(lǐng)域的幾個(gè)著名研究組如：p.l.konash,姚守拙，j.k.kaufman等組相繼發(fā)表了晶體在液相中穩(wěn)定振蕩成功地研究論文9，從而大大拓寬了壓電在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。自此壓電晶體其它的一些非質(zhì)量傳感特性如：電導(dǎo)傳感、密度傳感、粘度傳感等亦被相繼揭示與應(yīng)用，至90年代末形成了壓電體聲波質(zhì)量傳感與非質(zhì)量傳感并行發(fā)展的研究姿態(tài)10。直至今日，壓電傳感器的分析技術(shù)仍以傳統(tǒng)的振蕩器方法為主，雖然振蕩器法只

18、能提供pqc的串聯(lián)共振頻率這一單一的信號，pqc在粘度過大的液相中還容易停振，而且其振蕩行為受振蕩電路類型和元件參數(shù)的影響11，但這種直接測頻法的突出優(yōu)點(diǎn)是簡單，對于一般的并不復(fù)雜的體系，采用這種方法完全能夠滿足分析的需要。1.3 壓電生物傳感器的研究進(jìn)展壓電生物傳感器是一種將高靈敏度的壓電傳感器與特異的生物反應(yīng)結(jié)合在一起的新型生物分析方法，這一方法不需要任何標(biāo)記，且儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，引起人們的濃厚興趣，組建成為生物傳感器領(lǐng)域中的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。近年來在生物分析方面也取得長足進(jìn)展，以下僅從免疫、基因及細(xì)胞等方面作些介紹。1壓電免疫傳感器壓電免疫傳感器的基本原理就是將抗體或者抗原固定于石英晶

19、體表面，利用抗原與抗體的特異親和反應(yīng)，當(dāng)待測的抗原或抗體與所固定的識別物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生特性吸附時(shí)，就會導(dǎo)致晶體表面質(zhì)量負(fù)載的增加，所吸附的抗體或抗原的量可以通過傳感器的頻率變化加以檢測。因?yàn)閴弘妭鞲衅鳒y定的是質(zhì)量變化，無需經(jīng)典的免疫分析方法如放射性同位素標(biāo)記法及酶聯(lián)偶合法中的標(biāo)記和分離步驟，可以簡化操作程序，提高分析速度12。早在1972年，shons等便以抗原（牛血清蛋白，馬r-球蛋白）作為晶體涂層，用于檢測溶液中的抗體活性。由于當(dāng)時(shí)壓電傳感器只能在氣相中振蕩，因此需抗體吸附于晶體表面并干燥后才能進(jìn)行質(zhì)量測定。直接在溶液中進(jìn)行測定的最先為roederer等人的工作，他們以硅烷修飾晶體表面以

20、獲得對蛋白質(zhì)高度親和的表面后，再將anti-igg固定于晶體表面以測定溶液中的igg。和其它免疫化學(xué)傳感器一樣，抗原或抗體的固定化技術(shù)是制備免疫傳感器的關(guān)鍵。固定化過程既要把目標(biāo)蛋白質(zhì)固定于載體表面，又要保留蛋白質(zhì)的活性。在壓電晶體表面直接固定蛋白質(zhì)易導(dǎo)致蛋白質(zhì)的失活，因此一般需要對晶體表面先進(jìn)行修飾，然后再在修飾層上固定抗體或抗原。另外，壓電免疫傳感器已用于微生物檢驗(yàn)研究。park等利用sulfo-lc-spdp自組裝技術(shù)把琉基化得沙門氏菌抗體固定在10mhz的石英晶體表面，提高了檢測的靈敏度和特異性。以硫酸鹽緩沖液來檢測細(xì)菌標(biāo)本懸液中的目的細(xì)菌，該方法的檢測范圍在9.91.8cfu/ml。

21、wong13等采用覆蓋聚乙烯亞胺薄膜的銀電極上用戊二醛交聯(lián)劑固定單克隆抗體，來區(qū)分和檢測沙門氏菌的abd血清型；在5 cells/ml的范圍成線性關(guān)系。 2壓電基因傳感器壓電傳感器測定dna的基本原理是將單鏈dna探針固定到晶體表面，當(dāng)序列與之互補(bǔ)的待測dna在晶片上雜交形成雙鏈dna時(shí)，晶體的質(zhì)量增加和產(chǎn)生表面粘彈性變化，根據(jù)傳感器頻率變化或網(wǎng)絡(luò)分析加以測定14。日本okahato等人采用了一個(gè)9mhz的at切割的鍍金的石英晶體，利用10個(gè)堿基的能與單鏈的m13噬菌體dna的ecor結(jié)合位點(diǎn)互補(bǔ)的脫氧核糖核苷酸作為探針，研究了由于雜交引起 的頻率差隨時(shí)間的變化，獲得了滿意的結(jié)果15。同時(shí)，他

22、們還研究了不完全互補(bǔ)的靶dna的雜交情況。結(jié)果表明，當(dāng)有一個(gè)連續(xù)的互補(bǔ)堿基存在時(shí)，也可以進(jìn)行雜交，但隨著互補(bǔ)堿基的數(shù)量下降雜交也變得越來越不穩(wěn)定。他們還研究了溫度對雜交的影響，發(fā)現(xiàn)在5560之間，隨溫度的上升，雜交雙鏈開始熔鏈，熔點(diǎn)為60。ito等觀察了溶液酸堿度對dna連接的影響，發(fā)現(xiàn)在酸性或堿性條件下，dna探針連在電極上的量最多，而在中性溶液中，dna雜交效果最好。還發(fā)現(xiàn)將雙鏈dna連在電極上之后加熱變性成單鏈，比單鏈dna直接連在電極上雜交的dna量多。他們認(rèn)為出現(xiàn)這種差異肯呢個(gè)是由于連在電極上的單鏈dna所產(chǎn)生的雜交空間位阻比雙鏈dna大所致。一般來說，電極上dna探針量與雜交dna

23、量追之比僅為100：1.他們還將dna嵌入劑hoechst33258引入到實(shí)驗(yàn)體系中，發(fā)現(xiàn)hoechst33258的潛入量與雜交dna量成線性關(guān)系。hoechst33258的引入不僅提高了檢測的靈敏度，而且為dna和dna嵌入劑的定量分析提供了新的研究途徑16。3壓電傳感器應(yīng)用于細(xì)胞核微生物研究根據(jù)細(xì)胞在培養(yǎng)液中的狀態(tài)可以把細(xì)胞分為懸液細(xì)胞核貼壁細(xì)胞。貼壁細(xì)胞顧名思義就是在培養(yǎng)器皿的壁上生長，細(xì)胞的分裂生長過程對應(yīng)于器壁的質(zhì)量增加過程，故可以利用壓電傳感器的質(zhì)量特性對細(xì)胞生長過程進(jìn)行監(jiān)測。redepenning等人用壓電傳感器對成骨細(xì)胞osteoblasts的貼壁速率進(jìn)行了監(jiān)測，并用掃描電子顯

24、微鏡測定細(xì)胞的表面覆蓋率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶體的頻率下降值與晶體表面細(xì)胞的覆蓋率有線性關(guān)系，但信號主要來自細(xì)胞貼壁所導(dǎo)致的表面粘度變化，因此sauerbrey方程不成立17。這已結(jié)果也在預(yù)料之中，因此細(xì)胞的典型直徑約為10um，比壓電晶體表面聲波的作用距離大得多，細(xì)胞中只有貼壁的一小部分參與晶體的振蕩；另外，細(xì)胞在表面不是均勻剛性膜，而且細(xì)胞含大量的細(xì)胞漿，在溶液中細(xì)胞還受溶液的浮力作用。由于在細(xì)胞與晶體的作用中，粘彈性的作用大于質(zhì)量作用，所以在壓電傳感器的檢測方式上，除采用頻率外還以阻抗分析法測量與能量損耗有關(guān)的參數(shù)。此外，細(xì)菌生長過程中的新陳代謝作用也會改變培養(yǎng)基的物理活性參數(shù)如粘度等，這一現(xiàn)象也

25、可用壓電傳感器加以監(jiān)測。1.4 論文研究內(nèi)容本文主要闡述壓電石英晶體生物傳感器對凝血因子檢測系統(tǒng)的研究過程。介紹了血漿凝血因子檢測系統(tǒng)的工作原理。壓電石英晶體生物傳感器以石英晶體的壓電諧振電路為核心，利用石英晶體的“逆壓電效應(yīng)”，使被測物質(zhì)直接作用于石英晶體元件表面，通過質(zhì)量變化，引起頻率變化，使被測物質(zhì)質(zhì)量的變化直接轉(zhuǎn)換為頻率的變化，即頻率輸出信號。在課題的研究過程中，主要的研究內(nèi)容為：1凝血因子檢測系統(tǒng)的原理。凝血因子檢測系統(tǒng)的工作原理是利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行測量的。以德國物理學(xué)家sauerbrey導(dǎo)出的壓電石英晶體頻移與晶體表面均勻吸附的物質(zhì)質(zhì)量之間變化關(guān)系的sauerbrey方程

26、為理論基礎(chǔ)。2石英晶體傳感凝血因子-頻率檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；趩纹瑱C(jī)，根據(jù)石英晶體生物傳感器的工作原理即壓電諧振技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)頻率計(jì)數(shù)系統(tǒng)。采用等精度頻率測量法，同時(shí)提高傳感器的靈敏度和減少非線性。 3壓電傳感器頻率動態(tài)響應(yīng)模型的建立。第2章 壓電生物傳感器與凝血因子檢測系統(tǒng)2.1 硅材料硅在集成電路線路和微電子器件的生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是利用硅的電學(xué)性；在微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，則是利用其機(jī)械特性，或者同時(shí)利用其機(jī)械特性和電學(xué)性，繼而產(chǎn)生新一代的硅機(jī)電器件和裝置。硅材料儲量豐富，成本低，硅晶體生長容易，并存在超純無雜的材質(zhì)，不純度在十億分之一的量級；因而本身的內(nèi)耗小，因數(shù)高達(dá)數(shù)量級（實(shí)際值往往比其最

27、高值小幾倍）。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)奈⒒顒訖C(jī)構(gòu)，如微傳感器，能達(dá)到極小的遲滯和蠕變、極佳的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性一級高可靠性；所以用硅材料制作傳感器，有利于解決長期困擾傳感器領(lǐng)域的三個(gè)難題：遲滯、重復(fù)性和長期漂移。硅材料質(zhì)量輕，密度為2.33g/，是不銹鋼密度的，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，具有較高的強(qiáng)度/密度比和較高的剛度/密度比。單晶硅具有很好的導(dǎo)熱性，是不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)則不到不銹鋼的1/7，能很好的和低膨脹invar合金連接，避免熱應(yīng)力產(chǎn)生。單晶硅為立方晶體，是各向異性材料，其機(jī)械特性和電子特性取決于晶向，其電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)()高，在同樣的輸入下，可以得到比金屬應(yīng)變計(jì)更高的信號輸出，一般

28、為金屬10100倍，能在 級甚至在級上感到輸出信號。同時(shí)硅材料的制造工藝與集成電路工藝有良好的兼容性，便于微型化、集成及批量生產(chǎn)。綜上所述，硅材料的優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：1優(yōu)異的機(jī)械特性。2便于批量生產(chǎn)微機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)和微機(jī)電元件。3與微電子集成電子線路便于集成。4微機(jī)械與微電子線路便于集成。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使硅材料稱為制造機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)及其微傳感器最主要的優(yōu)選材料。2.2 壓電石英晶體傳感器的基本原理壓電石英晶體傳感器是利用石英晶體作為基底的體聲波器件在厚度剪切模式振蕩過程中與周邊環(huán)境的相互作用，由器件超高頻聲波的聲電阻抗譜、頻譜或相位等參量變化對環(huán)境介質(zhì)如質(zhì)量、粘彈性、導(dǎo)納、介電或流變特性等物理化學(xué)

29、性能作出相關(guān)應(yīng)答并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的檢測信號。2.2.1 壓電石英晶體 壓電傳感器的核心傳感元件是壓電石英晶片，其工作原理是石英晶體的壓電效應(yīng)。壓電現(xiàn)象是1880年由curie首先發(fā)現(xiàn)并描述的：某些電解質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向受到外力的作用時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉以后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，晶體表面所產(chǎn)生的電荷和外加壓力成正比。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。相反，在電介質(zhì)極化的方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械形變；當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。具有壓電效應(yīng)的的電介質(zhì)物質(zhì)稱為壓電材料。迄今已經(jīng)出

30、現(xiàn)的壓電材料分為三種類型：一是壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其他壓電晶單晶；二是壓電陶瓷（多晶半陶瓷）；三是新型壓電材料，其中有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。在傳感技術(shù)中，目前國內(nèi)普遍應(yīng)用的是石英晶體和壓電陶瓷。其中，石英晶體因其良好的機(jī)械、電化學(xué)和溫度等綜合性能，成為壓電生物傳感的主要元件。石英晶體是最常用的壓電晶體之一。石英晶體是單晶結(jié)構(gòu)，外型呈六角棱柱體，兩端呈六角棱錐形體。石英晶體的各個(gè)方向的特性是不同的，一般采用直角坐標(biāo)系：z軸與晶體上、下晶定點(diǎn)連線重合，因光線沿該軸通過石英晶體時(shí)無折射，而且沿該軸方向上沒有壓電效應(yīng)，故稱z軸為光軸或中性軸；x軸經(jīng)過六棱柱棱線垂直于光軸

31、z，因垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)，故稱x軸為電軸；y軸垂直于光軸z和電軸x，因此在電場的作用下沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯，故稱y軸為機(jī)械軸。石英晶體的壓電特性與其分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于石英晶體結(jié)構(gòu)的較好的對稱性，它使介子各向同性和完全個(gè)向異性之間的晶體。因此它的獨(dú)立壓電系數(shù)只有兩個(gè)：和，其壓電常數(shù)矩陣可寫為 (21)其中=2.3110-12 (c/n）；=0.7310-12 (c/n)。表2-1 石英晶體的主要物理性質(zhì)名稱數(shù)據(jù)密度2.65彈性模量e/mpa彎曲強(qiáng)度/mpa90介電常數(shù)4.6壓電常數(shù)熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率電阻率0.1在室溫的條件下，石英晶體具有三方晶系的結(jié)構(gòu)，這種晶體具有左旋或右旋結(jié)

32、構(gòu)，當(dāng)溫度高于居里溫度點(diǎn)537時(shí)，其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成六方晶系的晶體，其壓電效應(yīng)活性明顯降低。表2-1給出石英晶體的主要物理性質(zhì)。石英晶體是絕緣材料，在其表面淀積金屬電極引線，不會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象。同時(shí)石英晶體與單晶硅一樣，具有優(yōu)良的機(jī)械物理性質(zhì)。它材質(zhì)純、內(nèi)耗低，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的理想值可高達(dá) 數(shù)量級，遲滯和蠕變極小，可忽略不計(jì)。石英材質(zhì)輕，密度為2.65g/cm3 ，為不銹鋼的，彎曲強(qiáng)度為不銹鋼的4倍。其最高工作溫度不應(yīng)超過250。2.2.2 切型及金屬電極的選擇z型石英晶體具有機(jī)械品質(zhì)因素較高（q值可高達(dá)）、介電常數(shù)和壓電系數(shù)非常穩(wěn)定（在20200范圍內(nèi)，其溫度系數(shù)為0.016%/，居里點(diǎn)位573）、機(jī)

33、械強(qiáng)度高、絕緣性好、抗輻射能力強(qiáng)、反應(yīng)無遲滯性、耐酸堿腐蝕、壓電特性不易丟失、整體結(jié)構(gòu)工藝好、適于大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此本研究采用z型石英晶體作為生產(chǎn)石英基片的基體。石英晶體是一個(gè)單晶體可以在不同方向上切割，但同時(shí)它又是各向異性晶體，在不同方向上切割的切片，其物理性能存在較大的差別。最常用的石英晶片是at切型，即沿著與石英晶體主光軸成35.4方向切割而成。晶體的厚度一般在0.10.3mm之間，晶體表面的激勵電極為銀（或金）膜電極，厚度1m左右。在電場激勵下，石英晶片以厚度剪切方式（thickness-shear-mode）振動，其振蕩頻率由厚度決定并與之成反比，頻率范圍為120mhz。對于高頻的

34、矩形切片，其振蕩頻率高低與石英晶片的厚度成反比，晶片太薄，頻率越高，靈敏度也就越高但加工特別是銑磨工藝越困難，因?yàn)樘〉木惺軌毫π?，易碎裂。同時(shí)為了減少應(yīng)力作用，使外力作用點(diǎn)遠(yuǎn)離中心振蕩區(qū)，可擴(kuò)大切片的幾何尺寸。因此，我們在本研究中，選用at切型、基頻10mhz的石英晶體，晶體直徑8.5mm,厚度在100150nm范圍內(nèi)。壓電傳感器的石英晶體激勵電極金屬材料常用金、銀等。研究已證明，兩種電極石英晶體的響應(yīng)特性和生物結(jié)合特性并無顯著差異，均可用于壓電生物傳感器的電極。金膜電極性能穩(wěn)定、不易氧化，但價(jià)格昂貴，加工成本較高，由于加工工藝的影響，金膜晶振無成熟生產(chǎn)線，僅能按需生產(chǎn)，且經(jīng)常表現(xiàn)出同批

35、產(chǎn)品基頻差異性大，經(jīng)過篩選才能使用。銀膜晶振已經(jīng)有成熟生產(chǎn)線工藝的生產(chǎn)，而且頻率穩(wěn)定，成本較低。本研究綜合多種因素，選用商用銀膜電極的適應(yīng)晶體作為壓電凝血傳感器的換能器件，電極直徑4.0mm，使用前再去掉真空包裝的金屬空殼。2.2.3 sauerbery方程雖然壓電石英晶片的諧振頻率在恒定條件下非常穩(wěn)定，如普通石英鐘的精確度可達(dá)到誤差小于1秒，相對誤差在千萬分之一以下，但sauerbrey指出，若在石英晶體的電極表面加上一小質(zhì)量負(fù)載層，將導(dǎo)致晶振頻率的顯著下降。sauerbrey將質(zhì)量負(fù)載層等效于晶體的厚度增加，從理論上導(dǎo)出了晶體表面負(fù)載物質(zhì)質(zhì)量與諧振頻率的關(guān)系即sauerbrey方程： (2

36、2)其中， f為晶體的固有諧振頻率(基頻，hz)為晶體表面涂層質(zhì)量（g）為由涂層所引起的頻率變化a即為涂層面積（cm2）對基頻為9mhz的石英晶體，若取電極直徑=6mm，由上式可知1g的質(zhì)量變化將導(dǎo)致645hz的頻率降低。由于頻率測定可以達(dá)到很高的精度，估計(jì)檢測限可達(dá)10-12g，因此振動的石英晶體是非常靈敏的質(zhì)量監(jiān)測器，并稱作石英晶體微天平（quartz crystal microbalance,qcm）。從振蕩點(diǎn)里頻率測量信噪比考慮，易達(dá)到10-9g，因此石英晶體質(zhì)量傳感器也稱為納克微天平18。2.2.4 振蕩電路振蕩電路如圖2-1工作在石英晶體串聯(lián)諧振頻率上。這時(shí)，晶體等效阻抗最小，正反

37、饋?zhàn)顝?qiáng)，容易起振。當(dāng)晶體浸入液體后，由于液體阻尼的影響，振蕩器輸出電壓幅值下降。因此在振蕩電路的輸出端增加一級帶lc選頻回路的高頻放大器，以提高振蕩信號的幅值。放大后的頻率經(jīng)整形后與參考頻率進(jìn)行差頻比較。圖2-1 振蕩電路 2.2.5 液相壓電傳感理論壓電石英晶體諧振器是一種換能器，當(dāng)在其諧振頻率附近工作時(shí)，在真空或空氣中無負(fù)載的情況下，可表示成機(jī)械端與電學(xué)端的耦合，而這種耦合是通過壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閴弘娭C振器在電學(xué)上等效于一個(gè)電路，以集中參數(shù)形式表述如圖2-2(a)、2-2(b)、2-2(c)所示。圖中，c0為靜電容，cq及l(fā)q為動態(tài)電容和動態(tài)電感，與壓電晶體的柔度及質(zhì)量成正比，rq為機(jī)

38、械能損耗電阻，xq為動態(tài)臂阻抗，k為機(jī)電耦合系數(shù)。近年來，隨著石英晶體液相振蕩獲得成功，人們對石英晶體液相振蕩特性的認(rèn)識越來越深入。石英晶體的應(yīng)用范圍也得到拓寬，特別是在生物學(xué)中的應(yīng)用引起科研工作者的極大興趣。由于壓電傳感器均是通過測量振蕩頻率的變化來獲取所需的信息，因而對在液相中振蕩的晶體，首先遇到并必需解決的兩個(gè)問題是：1影響晶體振蕩活性（活力）的因素有哪些，或者說晶體在不同性質(zhì)溶液中的振蕩區(qū)間由什么決定；2溶液性質(zhì)對晶體振蕩頻率影響如何。只有解決了這兩個(gè)問題，才能使晶體振蕩（應(yīng)用）體系拓寬，也才能準(zhǔn)確的根據(jù)晶體振蕩頻率變化來獲取質(zhì)量傳感的信息。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：在液相中，石英晶體微天平不僅對質(zhì)

39、量敏感，而且會受到外界溫度、氣壓、磁場起伏、沖擊震蕩、液體密度、粘度、介電常數(shù)、電導(dǎo)以及流過晶體的激勵電流起伏等因素的影響 。已經(jīng)有很多人在液體環(huán)境中進(jìn)行了將壓電石英晶體傳感器作為監(jiān)測器的研究。這些研究證實(shí)，質(zhì)量負(fù)載和粘性耦合是導(dǎo)致壓電石英晶體頻率變化的兩個(gè)主要作用機(jī)理。然而，其它一些影響因素，如：由于電極末端邊緣場引起的聲電作用也能引起頻率的變化。通過修飾的壓電石英晶體傳感器接觸液體的研究發(fā)現(xiàn)：在過度區(qū)內(nèi)，衰減聲場被提高，這個(gè)電場能與附近的導(dǎo)電/介電溶液相互作用，這將導(dǎo)致壓電石英晶體傳感器在平行響應(yīng)條件下頻率的較大變化。 晶體兩面電極均浸入液體中，會受到液體機(jī)械聲負(fù)載和介電負(fù)載的協(xié)同作用。前

40、者由液體的密度和粘度決定影響晶體機(jī)械端，后者與液體的電導(dǎo)率k和介電率有關(guān)而反映于晶體電學(xué)端。由剪切波在粘性介質(zhì)中的流體力學(xué)理論，對以剪切波在牛頓型液體中傳播的at切壓電石英晶體，諧振晶體單位面積上受到液體的機(jī)械聲阻抗負(fù)載可表述為： (23)設(shè)晶體諧振區(qū)僅限于其金屬電極部分并令電極面積為a，則液體施加于晶體兩面電極上的總聲阻抗為 (24)因此液體中壓電石英晶體的分布參數(shù)等效于電路如圖2-3所示。圖2-2 空氣中的壓電等效電路圖2-3 兩面電極浸入液體中的壓電晶體等效電路。 液體中常規(guī)壓電晶體的等效參數(shù)的關(guān)系式相應(yīng)為： (25) (26) (27) (28)其中，w是晶體的角頻率，a*及l(fā)是與晶體

41、電極、引線極其結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。對于單面接觸液體的常規(guī)壓電晶體，因兩電極間無溶液回路，故其電學(xué)環(huán)境與氣相類似（即），僅其機(jī)械端發(fā)生了變化（其xq及 rq值由于接觸液體的面積不同而恰為兩面接觸液體的一半），因此，質(zhì)量變化與之間的關(guān)系滿足sauerbrey方程。2.3 凝血因子檢測系統(tǒng)系統(tǒng)采用單片機(jī)來對石英晶體的輸出頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。系統(tǒng)框圖如圖2-4所示。石英傳感器振蕩電路at89c52計(jì)算機(jī)圖2-4 檢測系統(tǒng)框圖2.3.1 凝血因子檢測方法壓電石英晶體生物傳感器是應(yīng)用“逆壓電效應(yīng)”進(jìn)行測量的。1959年德國物理學(xué)家sauerbrey導(dǎo)出了壓電石英晶體頻移與晶體表面均勻吸附的物質(zhì)質(zhì)量之間變化關(guān)系的sa

42、uerbrey方程，建立了壓電石英晶體諧振測量技術(shù)的理論基礎(chǔ)。交變激勵電壓施加于石英晶體兩側(cè)的電極時(shí)，石英晶體會產(chǎn)生機(jī)械振蕩。當(dāng)交變激勵電壓的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，形成壓電諧振。若石英晶體表面沉積了一定質(zhì)量的物質(zhì)，其振蕩頻率就會發(fā)生相應(yīng)變化。頻率的改變正比于壓電石英晶體質(zhì)量的增加。壓電石英晶體生物傳感器選擇的吸附物是酶、抗原、抗體等生物識別物質(zhì)。將這些物質(zhì)均勻地涂布在壓電晶體上，利用酶與底物反應(yīng)形成酶的底物復(fù)合物，抗原和抗體反應(yīng)形成免疫結(jié)合物等性質(zhì)，就可以實(shí)現(xiàn)吸附物與待測物的特異性結(jié)合。通常將可選擇性吸收待測物質(zhì)的某種材料均勻地涂在壓電石英晶體表面，得到一個(gè)基礎(chǔ)頻率，然后將其放到有待

43、測物質(zhì)的氣體或液體中，壓電石英晶體與被測物質(zhì)作用而形成復(fù)合物，再對吸附了被測物質(zhì)后的壓電石英晶體進(jìn)行頻率測定 ，從而得到新的頻率，振動頻率的變化 (29) 石英晶體諧振頻率和晶體電極表面質(zhì)量負(fù)載變化之間的關(guān)系可由sauerbrey方程表示： (210)其中，是覆蓋上的晶體的共振頻率的變化，f是晶體的共振頻率，是增加的質(zhì)量，a是覆蓋的晶體的有效面積， 和分別是石英晶體的密度和剪切模量。kanazawa等還發(fā)現(xiàn)可能取決于所接觸溶液的粘度和密度。 (211) 其中式(211)中和分別是液體的絕對密度和粘度。以血漿凝集反應(yīng)過程為基礎(chǔ)，觀察壓電石英晶體振蕩頻率在血漿凝血反應(yīng)過程中的變化規(guī)律，建立血漿凝集

44、反應(yīng)起點(diǎn)和終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。凝血過程分為三步。三步指的是：1生成凝血活酶2生成凝血酶3纖維蛋白原轉(zhuǎn)變成纖維蛋白，反應(yīng)的是凝血的順序過程。凝血酶原時(shí)間（pt）是評價(jià)外源性凝血途徑的實(shí)驗(yàn)。2.3.2 石英振子的加工制備被覆激勵電極并能夠激勵振蕩的壓電元件稱為壓電振子。因此，石英振子激勵電極的制備是石英晶體換能器的關(guān)鍵技術(shù)。對于高頻矩形石英切片，其振蕩頻率完全取決于晶片厚度，因此切割后必須經(jīng)過精細(xì)的研磨，以求取所需的頻率。要求電極銀膜厚度均一、附著力強(qiáng)，這對石英晶片電極制作提出了較高的要求。我們采取以下步驟進(jìn)行石英振子的加工制作。1石英晶片的切割：用線切割機(jī)按at切向把z型石英切割成直徑為8.5mm的

45、切片。2石英切片的銑磨：經(jīng)過初磨細(xì)磨初拋光精拋光篩選等流水作業(yè)過程，得到表面平整、厚度均一的石英晶體基片。3石英壓電振子的洗滌：石英晶體基片采用1.2m的naoh溶液、1.2m的hcl溶液分別浸泡30min，三蒸水浸泡30min，超凈環(huán)境干燥。4蒸鍍銀膜電極：先鍍一層20nm的金屬鉻作為襯底，然后在鉻層上進(jìn)行銀膜蒸鍍。2.3.3 壓電傳感器檢測池的設(shè)計(jì)凝血功能為一個(gè)精密的實(shí)驗(yàn)，它對精確度和重復(fù)性上要求較高。傳統(tǒng)的黏膠式傳感器在制作時(shí)候需要手工涂膠，無法準(zhǔn)確控制膠的量和均勻性，常常使得檢測池面積不規(guī)則、大小不均，也容易造成傳感器對位對線不準(zhǔn)確而使得液面不平或者液體對晶振垂直應(yīng)力大小不一、角度不一

46、，電磁干擾嚴(yán)重的問題等，這些缺點(diǎn)均會造成構(gòu)建黏膠式傳感器成功率低，檢測結(jié)果重復(fù)性差，準(zhǔn)確度不夠等。1檢測池結(jié)構(gòu)圖為保證石英晶振單面觸液，且每個(gè)組裝好的傳感器在尺寸、晶振表面正應(yīng)力大小及角度、電磁屏蔽性、晶振品質(zhì)因子q值損耗、晶振頻溫曲線等等關(guān)系到傳感器諧振能力的每個(gè)因素都具有同質(zhì)性，我們設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)螺旋式的檢測池結(jié)構(gòu)，該檢測池由基座、o形密封圈、壓塊、螺母等組成。圖2-5 檢測池結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，(1)內(nèi)螺紋螺母；(2)壓塊，帶固定栓結(jié)構(gòu)；(3)石英晶振；(4)o形硅膠密封圈；(5)外螺紋基座，內(nèi)壁帶有與壓塊固定栓匹配的固定槽。2檢測池主要部件設(shè)計(jì)外螺紋基座：主要為石英晶振提供“對位對線”

47、的固定及電磁屏蔽功能。根據(jù)石英晶振規(guī)格設(shè)計(jì)，采用鋁合金材料，上端外螺紋與螺母內(nèi)螺紋對應(yīng);提供一個(gè)o形硅膠密封圈卡位；內(nèi)壁設(shè)計(jì)一固定槽與壓塊的固定栓對應(yīng)；基座外側(cè)壁采用滾花設(shè)計(jì)，方便裝配檢測池。o形硅膠密封圈：主要功能為緩沖對晶振的壓力及密封作用，保證晶振單面觸液。內(nèi)螺紋螺母：主要功能是為提供垂直壓力，使得壓塊、o形密封圈和晶振形成檢測池，并有電磁屏蔽功能。采用鋁合金材料，外側(cè)面滾花，方便裝配檢測池。壓塊：采用鋁合金材料，外面設(shè)計(jì)有一固定栓，與基座的固定槽卡位后，在螺母旋壓下，該壓塊只能在垂直于晶振方向移動，而不會對o形密封圈及晶振產(chǎn)生水平扭力矩，從而保證晶振只受到垂直的正壓力；內(nèi)壁為拋光圓角弧

48、形設(shè)計(jì)，保證液體表面水平和均一；底部設(shè)計(jì)一個(gè)o形密封墊圈卡位，壓塊-密封圈-晶振-密封圈-基座結(jié)構(gòu)共同保證晶振“對位對線”良好。3檢測池組裝和調(diào)節(jié)檢測池組裝：將潔凈的o形密封圈卡入基座和壓塊的卡位上，壓平；將壓塊的固定栓對準(zhǔn)基座的固定槽并將壓塊放入基座中；稍提起壓塊，將石英晶振從基座外側(cè)面入口小心插入，注意“對位對線”，然后放下壓塊，將螺母向下旋壓，產(chǎn)生垂直壓力，使密封圈與晶振密封面形成檢測池。檢測池的調(diào)節(jié)：檢測池螺母旋壓的距離決定了晶振表面垂直應(yīng)力的大小。開機(jī)預(yù)熱15分鐘后，調(diào)節(jié)螺母的刻度并觀察晶振頻率變化，以0.1ppm/min為空氣中諧振穩(wěn)定，記下該刻度作為基準(zhǔn)后調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)節(jié)流程如圖2

49、-6。檢測池組裝插入儀器檢測位儀器頻率計(jì)數(shù)分解檢測池并清洗晾干空氣中頻率漂移后實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)螺母刻度圖2-6 檢測池調(diào)節(jié)流程2.3.4 檢測儀的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，檢測儀整體在以前的基礎(chǔ)上改進(jìn)，其改進(jìn)方案如下：1重新設(shè)計(jì)電路，電路包括振蕩電路、溫度控制單元、頻率計(jì)數(shù)單元、單片機(jī)控制單元及顯示控制單元，并具有較強(qiáng)的電磁屏蔽功能。2改進(jìn)檢測艙，檢測位分布合理，與檢測池匹配，利于空氣定向流動，盡量減少湍流的發(fā)生；具有隔熱和電磁屏蔽的功能。3增加檢測位，易于構(gòu)成檢測陣列。4加強(qiáng)檢測儀抗震功能，最大程度的減小機(jī)械振動。5增加控溫裝置，實(shí)現(xiàn)開機(jī)定溫，控溫精度0.1。6減小整機(jī)的體積和質(zhì)量，儀器外表美觀大方。7功能

50、設(shè)計(jì)上預(yù)留一定的功能擴(kuò)張空間，便于儀器升級和實(shí)現(xiàn)其它檢測功能。在新電路設(shè)計(jì)上，除了包括振蕩電路外，還增加了頻率計(jì)單元、溫度控制單元、顯示控制單元和單片機(jī)控制單元。振蕩電路令傳感器起振后，頻率計(jì)數(shù)單元立即計(jì)數(shù)其頻率，再傳輸給單片機(jī)控制單元。整個(gè)結(jié)構(gòu)中，以單片機(jī)控制單元為核心，可以控制溫度設(shè)定、頻率計(jì)數(shù)等。1頻率計(jì)設(shè)計(jì)棄用頻率計(jì)數(shù)卡，改用基于單片機(jī)的等精度頻率測定法，實(shí)現(xiàn)高速、集成、精確、抗干擾的要求。2控溫裝置的改進(jìn)眾所周知，在溫度不穩(wěn)定的條件下，壓電石英晶體傳感器的頻率極易不穩(wěn)定，檢測結(jié)果也不準(zhǔn)確。為了將壓電晶體傳感器用于臨床檢測中，就必須滿足恒溫的要求。溫度控制是一種非線性的、滯后的時(shí)變的復(fù)

51、雜過程，采用傳統(tǒng)的pid控制是不適宜的。技術(shù)方案為：采用絕熱對流恒溫方式進(jìn)行控溫，對檢測艙的內(nèi)壁、艙蓋及連接處進(jìn)行特殊處理，實(shí)現(xiàn)一定的隔熱功能；采用pid溫度自動調(diào)節(jié)器及相關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)加熱功率隨艙內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)；采用小功率風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)氣流定向穩(wěn)定流動。3儀器減震功能的改進(jìn)采用隔離震動源和緩沖減震技術(shù)結(jié)合的方法解決。檢測儀工作時(shí)，機(jī)械振動來源于艙蓋的開合、溫控風(fēng)扇和沖擊。前兩者主要采用隔離震動源的辦法減小震動，后者主要采用緩沖減震技術(shù)來解決。4電磁屏蔽檢測儀工作時(shí)，會產(chǎn)生大量的電磁信號，主要來源于電路回路、連接線布局、溫控風(fēng)扇、環(huán)境電磁干擾、檢測位之間電磁干擾等等。主要解決方法是：（1）檢測池采

52、用金屬材料；（2）單個(gè)檢測位振蕩電路分離，增加金屬外殼，單獨(dú)供電并單獨(dú)接地；（3）檢測艙屏蔽；（4）優(yōu)化檢測儀內(nèi)部連接線布局；（5）檢測儀外殼屏蔽。 2.4 本章小結(jié)本章介紹了凝血因子檢測系統(tǒng)的工作原理，利用壓電石英晶體的逆壓電反應(yīng)，采用統(tǒng)一規(guī)格的螺旋式壓電凝血傳感器檢測池結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)解決了晶振對位對線，電磁屏蔽性能差等問題，保證了石英晶振單面觸液，使檢測池的結(jié)構(gòu)對振蕩器的性能影響降低。對傳統(tǒng)檢測儀進(jìn)行了改進(jìn)，使測量過程更便捷、成本更低、結(jié)果更精確。第3章 壓電石英傳感器頻率測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)3.1 頻率的測量 在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中周期性現(xiàn)象十分普遍，如各種周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、往復(fù)運(yùn)動、各種傳感器和測量

53、電路變換后的周期性脈沖等。周期性過程重復(fù)出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間稱為“周期”，記為t（單位是s）；單位時(shí)間內(nèi)周期性過程重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱為“頻率”，記為f（單位是hz）。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系 。 (31) 因此，f和t只要測出其中一個(gè)，便可取倒數(shù)而求另一個(gè)。在電子測量中，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，而且頻率的測量精確度是最高的。在檢測技術(shù)中，常常將一些非電量或其他電參量轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行測量，以提高測量的精度。因此頻率（周期）的測量十分普遍而且非常重要。3.1.1 等精度頻率的測量技術(shù)隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面

54、都發(fā)生了巨大的變化，形成了一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測量儀器。頻率計(jì)廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。傳統(tǒng)的頻率計(jì)測量誤差較大，等精度頻率計(jì)以其測量準(zhǔn)確、精度高、方便等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的測頻方法有直接測頻法和測周法，在一定的閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，門控信號和被測信號不同步，計(jì)數(shù)值會產(chǎn)生一個(gè)脈沖的誤差。等精度測頻法采用門控信號和被測信號同步法清除對被測信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的誤差。等精度頻率測量方法消除了量化誤差，可以在整個(gè)測試頻段內(nèi)保持高精度不變，其精度不會因被測信號頻率的高低而發(fā)生變化。采用單片機(jī)作為控制核心的等精度頻率計(jì)，可

55、以充分利用單片機(jī)軟件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)等精度測頻。通過單片機(jī)對同步門的控制，使被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號在閘門時(shí)間內(nèi)同步測量，為了提高精度，將電子計(jì)數(shù)功能轉(zhuǎn)為測周期，采用多周期同步測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)等精度測量。3.1.2 等精度頻率測量的基本原理基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計(jì)的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化。傳統(tǒng)的直接測頻法其測量精度將隨被測信號頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低，在實(shí)用中有較大的局限性，而等精度頻率計(jì)不但具有較高的測量精度，而且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。等精度頻率的測量原理圖如圖3-1 所示。fx輸入通道10mhz時(shí)基信號同步門控制主門主門計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器t0

56、 p0 p1.2 t1 p1.1 p1.0 鍵盤led數(shù)碼顯示圖3-1 等精度頻率的測量原理圖頻率為fx的被測信號經(jīng)通道濾波、放大、整形后輸入到同步門控制電路和主門（閘門），晶體振蕩器的輸出信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號（時(shí)基信號）輸入到主門。被測信號在同步門的作用下，產(chǎn)生一個(gè)與被測信號同步的閘門信號，被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號（時(shí)基信號）在同步門控制信號的控制下，在同步門打開時(shí)通過同步門分別輸入到事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的信號輸入端，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。同步門關(guān)閉時(shí)信號不能通過主門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，單片機(jī)發(fā)出命令讀入計(jì)數(shù)器的數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的結(jié)果送顯示。等精度頻率測量方法是采用多周期同步測量。如圖3-1的

57、測量原理圖所示由單片機(jī)發(fā)出預(yù)置門控信號gate，gate的時(shí)間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，即在高頻段時(shí)，閘門時(shí)間較短；低頻時(shí)閘門時(shí)間較長。實(shí)現(xiàn)了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。在同步門的控制下，一方面保證了被測信號和時(shí)基信號地同步測量；另一方面在同步門打開后計(jì)數(shù)器并不是馬上計(jì)數(shù)，而是在被測信號的下一個(gè)上升沿開始計(jì)數(shù)，同步門關(guān)閉后計(jì)數(shù)器也不是馬上停止計(jì)數(shù)，而是在被測信號的下一個(gè)上升沿停止計(jì)數(shù)。即在實(shí)際閘門時(shí)間計(jì)數(shù)，從而提高了測量精度。由于采用d觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的同步門的同步作用，事件計(jì)數(shù)器所記錄的nx值已不存在誤差的影響，但由于時(shí)鐘信號與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系，時(shí)間計(jì)

58、數(shù)器所記錄的的值仍存在1誤差的影響，只是由于式中頻率很高，誤差的影響很小。所以在全頻段的測量精度是均衡的，從而實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量。3.1.3 等精度測頻的測量誤差由上述測量原理可知，公式成立。設(shè)所測頻率的準(zhǔn)確值為，在一次測量中，由于計(jì)數(shù)的起停時(shí)間是由該信號地上升沿控制的，因此，在t時(shí)間內(nèi)對的計(jì)數(shù)無誤差。在此時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)最多相差一個(gè)脈沖，即，則下式成立： (32) (33)由此可分別推得： (34) (35)根據(jù)相對誤差公式有： (36)將式(34)和式(35)帶入式(36)整理后可得： (37)因?yàn)?(38) 所以 (39)即相對誤差： (310) 其中： (311)由此可知，增大或提高，可以增

59、大，減少測量誤差，提高測量精度；相對測量誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與取樣時(shí)間及時(shí)基信號（標(biāo)準(zhǔn)信號）頻率有關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)被測頻帶內(nèi)的等精度測量：取樣時(shí)間越長，時(shí)基信號頻率越高，分辨率越高。3.2 石英晶體傳感器凝血因子-頻率檢測整個(gè)石英生物傳感器的信號硬件檢測和處理系統(tǒng)的框架如下圖3-2所示，主要由振蕩電路、差頻電路、頻率計(jì)和微處理器組成1920。測試晶體輸出與被測物質(zhì)相關(guān)的頻率信號，參考晶體的頻率輸出與質(zhì)量變化無關(guān)，二者的頻率通過差頻電路整形后送入微處理器進(jìn)行處理，測量的結(jié)果由顯示電路去驅(qū)動led顯示器進(jìn)行顯示。3.2.1 壓電石英晶體傳感器等精度頻率測量的硬件實(shí)現(xiàn)3.2.1.1 硬件設(shè)計(jì)在頻率計(jì)設(shè)計(jì)中，硬件電路采用了單片機(jī)at89c52，d觸發(fā)器74ls74，異步計(jì)數(shù)器74ls393，緩存器74ls244，六反相器74ls04、或非門74ls02，鍵盤控制芯片hd7279a，8位led數(shù)碼管等。所采用的芯片技術(shù)成熟，性能可靠，性價(jià)比較高。參考晶體測試晶體振蕩電路振蕩電路差頻電路微處理器顯示電路圖3-2 石英生物傳感器的信號硬件檢測和處理系統(tǒng)的框架系統(tǒng)硬件主要由四部分組成：通道部分、計(jì)數(shù)器部分、單片機(jī)控制部分、顯示部分。1通道部分本頻率計(jì)的輸入通道由兩部分組成，第一部分就是常見的信號預(yù)處理電路包括對被測信號的放大、整形、濾波等。第一級由開關(guān)三極管構(gòu)成的零偏置放大器，三