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石英晶體微天平原理?

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助理技師

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電梯直達

樓主

發表于 2025-3-27 13:51:29 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）是一種高靈敏度的質量檢測儀器，其基本原理基于石英晶體的壓電效應和壓電諧振現象。
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。當在晶片的兩側施加機械壓力時，晶格的電荷中心會發生偏移而極化，從而在晶片相應的方向上產生電場；反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械形變。
壓電諧振
如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅會明顯加大，這種現象稱為壓電諧振。此時，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率。
質量檢測
當在晶體表面上鍍一層薄膜時，晶體的振動會減弱，這種振動或頻率的減少是由薄膜的厚度和密度決定的。因此，可以通過測量頻率的變化來檢測晶體表面質量的變化。根據Sauerbrey公式，QCM的諧振頻率變化與外加質量成正比。
耗散因子
耗散型石英晶體微天平（QCM-D）不僅可以檢測頻率變化，還可以測量耗散因子（D）。耗散因子是指當驅動石英晶體振蕩的電路斷開后，晶體頻率降低到0的時間快慢。它是分析吸附在傳感器表面的分子層狀態（包括質量、厚度和結構性質如粘彈性）的重要參數。
石英晶體微天平利用這些原理，能夠實現對極小質量變化的高精度檢測，廣泛應用于材料科學、化學、生物醫學等領域。