石英晶體微天平的工作原理是怎樣的？

　　石英晶體微天平實(shí)質(zhì)上是一個(gè)適用于稱量極小質(zhì)量的物質(zhì)的天平。是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測(cè)儀器，其測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí)，比靈敏度在微克級(jí)的電子微天平高100倍，理論上可以測(cè)到的質(zhì)量變化相當(dāng)于單分子層或原子層的幾分之一。系統(tǒng)主要由電子振蕩電路、頻率計(jì)數(shù)器和壓電石英晶體3部分組成?？梢詫?shí)時(shí)測(cè)量芯片表面上吸附或損失的質(zhì)量，因此非常適合測(cè)量諸如電子半導(dǎo)體器件或光學(xué)薄膜等薄膜沉積過(guò)程中膜的形成速率以及厚度。

　　石英晶體微天平利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。石英晶體微天平具有的高靈敏度和實(shí)時(shí)測(cè)量質(zhì)量改變的特點(diǎn)使其在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。

　　工作原理：

　　石英晶體微天平是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)，石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng);反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實(shí)與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)PF到幾十PF;當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L 來(lái)等效，一般L 的值為幾十mH到幾百mH。由此就構(gòu)成了振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過(guò)主機(jī)將測(cè)的得諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(guān)，而且可以做得，因此石英晶體微天平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。