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石英晶體微天平使用原理是什么
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(cè)儀器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)晶體表面質(zhì)量變化，測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí)(±1.5ppm)，甚至皮克級(jí)，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(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形。若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)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(chǎng)；反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)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(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)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(shí)，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(shí)，其共振頻率會(huì)發(fā)生偏移。通過(guò)測(cè)量頻率變化，可以計(jì)算質(zhì)量變化。1959年，德國(guó)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(guò)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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