石英晶體微天平的原理與應(yīng)用

　　無論是實驗還是工業(yè)中，都需要天平進(jìn)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(xì)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(guān)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(jì)60年代初期，它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測儀器，其測量精度可達(dá)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(zhì)量變化相當(dāng)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(yīng)，將石英晶體電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進(jìn)而通過計算機(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(yīng)：石英晶體內(nèi)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(cè)施加機(jī)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(yīng)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(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，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，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(dāng)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(dāng)晶體振蕩時，機(jī)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(gòu)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(jī)將測的得諧振頻率轉(zhuǎn)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(guān)，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(yīng)用
 

　　石英晶體微天平的其他組成結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)還包括振蕩線路、頻率計數(shù)器、計算機(jī)系統(tǒng)等；另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設(shè)備，例如顯示器、打印機(jī)等。

　　由于其具有具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高、測量精度可以達(dá)到納克量級的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測量、薄膜厚度及粘彈性結(jié)構(gòu)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(diǎn)，是其他方法*的。這項技術(shù)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(shù)結(jié)合成為微觀過程與作用機(jī)理研究，微量、痕量物質(zhì)的檢測等方面十分有效的手段，獲得廣泛應(yīng)用。