QCM(Quartz Crystal Microbalance)是一种新型的高灵敏度质量传感器，由于其具有测量精度高、稳定性好、体积小和工作温度范围广等优点，在生物、医学、化学、环境监测和航天航空等领域越来越受到关注。然而目前对QCM的实现方式主要是通过振荡电路的方法，此方法所能测量的信息量少(一般只能测量串联谐振频率)且在大阻尼液体中常会发生停振现象，局限了QCM的应用；同时由于QCM高频振动的复杂性有时会发生振动耦合，破坏QCM振动单一性，导致品质因素Q值降低，谐振频率偏移。针对上述问题，本文另辟蹊径，提出了一种新型的实现QCM频谱分析的方法，并自主实现了软硬件实验平台，不但突破了自激振荡电路所测得信息量小的缺陷，而且还避免了在大阻尼溶液中停振现象的发生；同时基于能陷理论和有限元分析对QCM结构进行了优化设计，为有效抑制振动耦合、减小非电极区振动能量的损耗提供了一条有益的思路。作为国家创新基金项目“石英晶体微天平”(立项代码：06C26222200129)的重要组成部分，本文的主要内容包括：1、系统地回顾了QCM的历史背景、研究现状和发展趋势，并着重论述了QCM的理论基础、工作原理和实现方法，进而分析了QCM频谱分析方法的独特优点。2、系统地总结了QCM的振动理论，分析了QCM不同振动模式间耦合产生的具体原因，并给出了本文抑制耦合的具体措施。3、基于能陷理论与有限元分析，研究了电极厚度、半径等尺寸对QCM振动位移分布的影响趋势，从而对电极结构进行了优化设计，并提出了一种在晶片表面筑有平台的设计方法，弥补了金电极不能过厚而导致能陷效应不佳的缺陷。4、基于QCM的等效电路，推导了六种重要的谐振频率公式，并结合MATLAB仿真，分析了等效元件对频谱曲线的影响，指出了其变化规律；通过对待测物质的机械阻抗的分析，给出了负载为刚性薄层和牛顿液体时的等效电路，为电路设计提供了理论依据。5、当QCM理论精度达ng级时，QCM等效动态电感的变化只有nH级左右，其有用微弱信号便会淹没在高频输出信号中，因而设计一个高效合理的软硬件平台就显得格外重要。在本文中，新颖的电路设计、规范的电极加工、独特的夹具结构以及底层DSP软件和上层PC机软件的合理设计，共同为QCM稳定工作及信号的正确获取奠定了良好的基础。其中，基于相关性原理QCM信号采集电路的设计，是硬件电路设计的重点，并申报了两项专利，现已正式获得实用新型专利(实用新型专利号：ZL200320124230.6；发明专利受理号：200310112847.0)。6、实验部分是对设计的QCM系统正确性的具体检验。通过验证实验，证实了整体设计、夹具设计和电极优化设计的正确合理性；通过测量实验，半定量地给出了测量精度，对液体实验出现的较大误差做了详细的分析，并给出了改进方案。