石英晶體微天平使用原理是什么

來源：瑞典百歐林科技有限公司 2026年01月12日 11:26

　　石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一種基于石英晶體壓電效應(yīng)的高靈敏度質(zhì)量檢測儀器，能夠?qū)崟r監(jiān)測晶體表面質(zhì)量變化，測量精度可達納克級(±1.5ppm)，甚至皮克級，相當(dāng)于能感知“單分子層厚度”的質(zhì)量變化。

　　石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應(yīng)：

　　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)施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，在晶片相應(yīng)的方向上產(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)生機械形變。

　　壓電諧振：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(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。

　　質(zhì)量-頻率關(guān)系：當(dāng)晶體表面吸附物質(zhì)時，其共振頻率會發(fā)生偏移。通過測量頻率變化，可以計算質(zhì)量變化。1959年，德國科學(xué)家G. Sauerbrey研究發(fā)現(xiàn)，在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件下，QCM的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比。通過Sauerbrey方程，吸附在晶體傳感器上的物質(zhì)質(zhì)量就可以和頻率的改變建立關(guān)系。

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