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石英晶振微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)气体传感器,是以石英晶体表面敏感薄膜为敏感元件,以AT切型石英晶体为换能元件,利用石英晶体的质量—频率变化关系,将待测气体的浓度信号转换成频率信号输出,从而实现气体浓度的检测。 本文以研制室内空气质量检测微传感器为目的,对石英晶振微天平气体传感器及其应用进行了深入研究,取得了以下成果:建立了阵列式QCM气体传感器动态标定系统,研制了便携式QCM传感器频率检测仪;通过实践确定了QCM传感器的制作工艺过程,制作了一批QCM湿度传感器,在QCM甲醛气体传感器及其受湿度等干扰气体的影响方面做了大量研究;建立了QCM传感器信号无线采集系统。 QCM气体传感器信号的检测主要集中在微小相对频率变化量的检测上,本文根据QCM传感器的特点,设计了合理的起振、整形、差频处理电路,将QCM传感器频率的微小相对变化量调理为频率随待测气体浓度变化的方波信号,用两种方法实现了传感器信号的准确检测。方法一把差频处理后的传感器信号,通过LM331精密频压转换器,转换为可供A/D采集卡采集的电压信号,结合实验室已有的动态配气系统,建立了阵列式QCM传感器动态标定系统。方法二把差频处理后的传感器信号,送给单片机处理,研制了便携式QCM传感器频率检测仪,实现了传感器信号的采集、存储、液晶显示以及和计算机的串行通信。根据上述两种频率测量方法,研究了QCM气体传感器的制作工艺工程,试验了高分子薄膜、Pt溅射薄膜、炭纳米管薄膜等薄膜材料,研制了QCM湿度、乙醇、丙酮气体传感器和对高浓度甲醛气体有响应的甲醛气体传感器。 同时,在传感器的无线应用领域,利用Ti公司的MSP430F123单片机和TRF6900无线射频收发芯片,建立了QCM传感器信号无线采集系统,为QCM传感器在无线网络中的应用,奠定了基础。