石英晶体微天平的基本原理

在上世纪60年代初期，石英晶体微天平开始发展，其为一种灵敏度十分高的质量检测仪器，其测量精度能够达到纳克级，高于灵敏度在微克级的电子微天平1000 倍。从理论上来说，能够测到的质量变化和单分子层或原子层的几分之一相当。石英晶体微天平通过石英晶体的压电效应，使石英晶体电极表面质量变化向着石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化转化，从而利用计算机等其他辅助设备使得高精度的数据获得。

基本原理

对石英晶体的压电效应进行利用为石英晶体微天平zui基本的原理。石英晶体的压电效应为：在不受外力作用时，石英晶体内部每个晶格呈正六边形，如果将机械压力施加于晶片的两侧，晶格的电荷zhong心会发生偏移而极化，那么会有电场产生于晶片相应的方向上。相反，如果将一电场加在石英晶体的两个电极上，就会使得晶片产生机械形变，，该种物理现象叫做压电效应。若将交变电压施加于晶片的两极上，就会使得晶片产生机械振动，与此同时，晶片的机械振动又会使得交变电场产生。通常情况下，不管是晶片机械振动还是交变电场，它们的振幅均十分小，然而当当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅会显著增强，该种现象叫做压电谐振。事实上，其非常相似于LC振荡电路的谐振现象：当晶体不振动时，能够将其当作一个平板电容器，叫做静电电容C，通常是几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，能够使用电感L来等效机械振动的惯性。几十毫亨利到几百毫亨利为通常的值。通过这就使得石英晶体微天平的振荡器被构成。电路的振荡频率和石英晶体振荡片的谐振频率相等，测得的谐振频率再利用主机进行收集并转化为电信号输出。因为基本上，晶片本身的谐振频率仅和晶片的切割方式、几何形状、尺寸相关联，而且能够做得精确，所以对石英谐振器组成的振荡电路进行利用能够使得很高的频率稳定度获得。