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石英晶體微天平基本工作原理

發表時間·▩•╃│:2017-07-07 點選次數·▩•╃│:322

  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生偏移而極化✘☁☁☁✘,則在晶片相應的方向上將產生電場;反之✘☁☁☁✘,若在石英晶體的兩個電極上加一電場✘☁☁☁✘,晶片就會產生機械變形✘☁☁☁✘,這種物理現象稱為壓電效應✘↟。如果在晶片的兩極上加交變電壓✘☁☁☁✘,晶片就會產生機械振動✘☁☁☁✘,同時晶片的機械振動又會產生交變電場✘↟。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✘☁☁☁✘,這種現象稱為壓電諧振✘↟。它其實與LC 迴路的諧振現象十分相似·▩•╃│: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;當晶體振盪時✘☁☁☁✘,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盪器✘☁☁☁✘,電路的振盪頻率等於石英晶體振盪片的諧振頻率✘☁☁☁✘,再透過主機將測得的諧振頻率轉化為電訊號輸出✘↟。由於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盪電路可獲得很高的頻率穩定度✘↟。
  1959 年 Sauerbrey 在假定外加持量均勻剛性地附著於QCM 的金電極表面的條件下✘☁☁☁✘,得出了QCM 的諧振頻率變化與外加質量成正比的結論✘↟。對於剛性沉積物✘☁☁☁✘,晶體振盪頻率變化△F 正比於工作電極上沉積物的質量改變△M✘↟。透過這一關係式可得到QCM電極表面的質量變化✘↟。   石英晶體微天平應用及展望
  QCM system
  QCM(Quartz Crystal Microbalance)作為微質量感測器具有結構簡單✘╃、成本低✘╃、振動Q值大✘╃、靈敏度高✘╃、測量精度可以達到納克量級的優點✘☁☁☁✘,被廣泛應用於化學✘╃、物理✘╃、生物✘╃、醫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✘╃、薄膜厚度的檢測等✘↟。根據需要✘☁☁☁✘,還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜✘☁☁☁✘,進一步拓寬其應用✘↟。例如✘☁☁☁✘,若在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜✘☁☁☁✘,可用來探測氣體的化學成分或監測化學反應的進行情況✘↟。隨著生物科學的蓬勃發展✘☁☁☁✘,QCM作為基因感測器在生物領域的應用有著廣闊前景✘↟。
  QCM具有線上跟蹤檢測微觀過程的變化✘☁☁☁✘,獲取豐富的線上資訊的優點✘☁☁☁✘,是其他方法無法比的✘↟。這項技術以其簡便✘╃、快捷✘╃、靈敏度高✘╃、線上跟蹤等優勢✘☁☁☁✘,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✘☁☁☁✘,並從簡單的濃度測定深入到動力學過程機理的研究✘↟。今後的發展方向集中在以下幾個方面:
  1.對粘彈性層的理論處理
  2.採用其他表面技術✘☁☁☁✘,如表面紅外光譜✘☁☁☁✘,對晶體表面的介面特性進行深入研究✘↟。
  3.微量物質的檢測與作用的研究✘↟。如以生物組織作為分子識別元件✘☁☁☁✘,研究諸如微量元素作用等✘↟。

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