石英晶體微天平的原理與應用

　　無論是實驗還是工業(yè)中，都需要天平進行測量工作，而石英晶體微天平作為一款測試精度非常高的測量天平，在一些細微的測量工作中起到了非常重要的作用。那么我們就來看下石英晶體微天平的一些知識。
 

　　關于石英晶體微天平
 

　　石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)的發(fā)展始于上世紀60年代初期，它是一種非常靈敏的質量檢測儀器，其測量精度可達納克級，比靈敏度在微克級的電子微天平高1000 倍，理論上可以測到的質量變化相當于單分子層或原子層的幾分之一。石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應，將石英晶體電極表面質量變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設備獲得高精度的數(shù)據(jù)。
 

　　石英晶體微天平的原理
 

　　石英晶體微天平基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應：石英晶體內部每個晶格在不受外力作用時呈正六邊形，若在晶片的兩側施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場;反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個PF到幾十PF;當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L 來等效，一般L 的值為幾十mH到幾百mH。由此就構成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過主機將測的得諧振頻率轉化為電信號輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。
 

　　石英晶體微天平的應用
 

　　石英晶體微天平的其他組成結構在不同型號和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結構還包括振蕩線路、頻率計數(shù)器、計算機系統(tǒng)等；另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設備，例如顯示器、打印機等。

　　由于其具有具有結構簡單、成本低、靈敏度高、測量精度可以達到納克量級的優(yōu)點，被廣泛應用于化學、物理、生物、醫(yī)學和表面科學等領域中，用以進行氣體、液體的成分分析以及微質量的測量、薄膜厚度及粘彈性結構檢測等。它的在線跟蹤檢測微觀過程的變化，獲取豐富的在線信息的優(yōu)點，是其他方法*的。這項技術以其簡便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優(yōu)勢，必將與其他技術結合成為微觀過程與作用機理研究，微量、痕量物質的檢測等方面十分有效的手段，獲得廣泛應用。