石英晶体微天平原理?

百欧林科技

石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）是一种高灵敏度的质量检测仪器，其基本原理基于石英晶体的压电效应和压电谐振现象。
压电效应
石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形。当在晶片的两侧施加机械压力时，晶格的电荷中心会发生偏移而极化，从而在晶片相应的方向上产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械形变。
压电谐振
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅会明显加大，这种现象称为压电谐振。此时，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率。
质量检测
当在晶体表面上镀一层薄膜时，晶体的振动会减弱，这种振动或频率的减少是由薄膜的厚度和密度决定的。因此，可以通过测量频率的变化来检测晶体表面质量的变化。根据Sauerbrey公式，QCM的谐振频率变化与外加质量成正比。
耗散因子
耗散型石英晶体微天平（QCM-D）不仅可以检测频率变化，还可以测量耗散因子（D）。耗散因子是指当驱动石英晶体振荡的电路断开后，晶体频率降低到0的时间快慢。它是分析吸附在传感器表面的分子层状态（包括质量、厚度和结构性质如粘弹性）的重要参数。
石英晶体微天平利用这些原理，能够实现对极小质量变化的高精度检测，广泛应用于材料科学、化学、生物医学等领域。