石英晶體微天平的基本原理

在上世紀60年代初期，石英晶體微天平開始發展，其為一種靈敏度十分高的質量檢測儀器，其測量精度能夠達到納克級，高于靈敏度在微克級的電子微天平1000 倍。從理論上來說，能夠測到的質量變化和單分子層或原子層的幾分之一相當。石英晶體微天平通過石英晶體的壓電效應，使石英晶體電極表面質量變化向著石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化轉化，從而利用計算機等其他輔助設備使得高精度的數據獲得。

基本原理

對石英晶體的壓電效應進行利用為石英晶體微天平zui基本的原理。石英晶體的壓電效應為：在不受外力作用時，石英晶體內部每個晶格呈正六邊形，如果將機械壓力施加于晶片的兩側，晶格的電荷zhong心會發生偏移而極化，那么會有電場產生于晶片相應的方向上。相反，如果將一電場加在石英晶體的兩個電極上，就會使得晶片產生機械形變，，該種物理現象叫做壓電效應。若將交變電壓施加于晶片的兩極上，就會使得晶片產生機械振動，與此同時，晶片的機械振動又會使得交變電場產生。通常情況下，不管是晶片機械振動還是交變電場，它們的振幅均十分小，然而當當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅會顯著增強，該種現象叫做壓電諧振。事實上，其非常相似于LC振蕩電路的諧振現象：當晶體不振動時，能夠將其當作一個平板電容器，叫做靜電電容C，通常是幾個皮法到幾十皮法。當晶體振蕩時，能夠使用電感L來等效機械振動的慣性。幾十毫亨利到幾百毫亨利為通常的值。通過這就使得石英晶體微天平的振蕩器被構成。電路的振蕩頻率和石英晶體振蕩片的諧振頻率相等，測得的諧振頻率再利用主機進行收集并轉化為電信號輸出。因為基本上，晶片本身的諧振頻率僅和晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸相關聯，而且能夠做得精確，所以對石英諧振器組成的振蕩電路進行利用能夠使得很高的頻率穩定度獲得。