石英晶体称重原理
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
流体通过剪切模式的声波传感器装置示意图
Liquid flow cell
70 uL flow through reservoir 1 ml static reservoir O-ring seal Resists harsh chemicals Low stress design
Static cell
x轴（电轴）：沿x轴方 向或沿y轴方向施加压力 （或拉力）时，在x轴方 向产生压电效应。
y轴（机械轴）：沿y轴方 向或沿x 轴方向施加压力 （或拉力）时，在y轴方 向不产生压电效应，只 产生形变。
天然右旋石英晶体晶轴的分布
石英晶体有天然的和人工培育的。 天然石英晶体产量有限，而且大部分都存 在各种缺陷。 石英晶体常见的缺陷：
ΔF = - 2 F02ΔM/A（qq）1/2
ΔF：石英晶体的频率改变量,又称频移值 （Hz）；F0:石英晶体的基频；ΔM：沉积在 电极上的物质的质量改变（g）；A：工作电 极的面积; q:剪切参数（2.951010 kg·m-1·s-2）; q：石英的密度（2648 kg·m-3）。
可以看出，频移值ΔF与质量改变ΔM之间有一简 单的线性关系，负号表示质量升高，频率降低。
AT- 和 BT-切割模式
四、石英晶体微天平（QCM）的 工作原理
石英晶体微天平由一薄的石英圆片和覆盖其表 面的电极组成 。 外加电压加到压电材料上引起一个内在的机械 振动。因为QCM是压电的，振荡电场横着通 过装置产生一个声学波。
1. Quartz crystal 2. 2. Electrode material
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
一、石英晶体的结构
石英微晶天平
一、石英晶体微天平的基本原理：石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。
它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L 来等效，一般L 的值为几十mH到几百mH。
由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。
由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
二、石英晶体微天平的主要构造：QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。
石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。
在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。
一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，简称QCM）是一种利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析仪器。
其工作原理是基于石英晶体微振器在质量变化时引起谐振频率的变化。
石英晶体是一种具有垂直电极和涂有一层金属电极的薄膜石英技术器件。
在标准条件下，石英晶体具有特定的谐振频率，当质量发生变化时，石英晶体的谐振频率也会发生相应的变化。
这个质量的变化可以是溶质吸附、膜生长、能量转换等引起的。
石英晶体微天平的主要部分包括石英晶体和振荡电路。
石英晶体被放置在真空或气体环境中，通过电极与振荡电路相连。
当外加交流电场施加到石英晶体上时，晶体将发生机械振荡，并产生电荷分布，从而使晶体表面产生一定的驱动力。
这种驱动力可以通过检测电路检测出来，并转换成电信号。
石英晶体微天平利用石英晶体的材料特性和电极结构，通过测量振荡频率的变化来定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。
当溶液中存在微量物质时，这些物质会在石英晶体的表面上吸附或反应，并改变晶体的质量。
质量的变化将引起石英晶体的共振频率的改变，这个频率的变化与溶液中微量物质的质量变化成正比。
QCM主要分为自由振动和受控振动两种模式。
在自由振动模式下，石英晶体将自由振动，而在受控振动模式下，通过将交流电场施加到电极上，通过调节频率和振幅来控制石英晶体的振荡。
这样可以通过控制石英晶体的振荡来监测微量物质的吸附和反应过程。
石英晶体微天平在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。
例如，它可以用于研究蛋白质的吸附、细胞的生长、药物的吸附和释放等过程。
由于其高灵敏度、快速响应和无需标记的特点，石英晶体微天平已经成为一种非常重要的表征和分析技术。
总之，石英晶体微天平利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析技术。
它的工作原理是基于石英晶体在质量发生变化时引起谐振频率的变化。
通过测定谐振频率的变化，可以定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。
石英晶体微天平物质结构
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• Quartz crystal • 2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A（q q）1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
石英晶体微天平（quartz crystal microbalance）是一种非常灵敏的质量检 测器，能够快速、简便和实时检测反应过 程中的质量变化，检测限可达到纳克级 水平，已被广泛应用于基因学、诊断学等 各方面，成为分子生物学和微量化学领域 最有效的手段之一。
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QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
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当晶体被浸入到溶液中，振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时，频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的，需要 修正。
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当石英晶体振荡与流体接触时，晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率，并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层，它导致 频率与(h)1/2成比例降低，这里和h分别 是流体的密度和粘度。
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而当石英晶体受到电场作用时,在它的某些 方向出现应变，而且电场强度与应变之间 存在线性关系，这种现象称为逆压电效 应。逆压电效应是在电场的作用下，在电 偶极距发生变化的同时产生形变.
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三、石英谐振器的振动模式
石英谐振器是由石英 晶片、电极、支架及 外壳等部分构成。
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１、伸缩振动模式 ２、弯曲振动模式 ３、面切变振动模式 ４、厚度切变振动模式
2、光双晶：同时存在左旋和右旋两个部分连 生在一起。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种高精度的质量测量仪器，它的原理是利用石英晶体的压电效应来测量物体的质量。
石英晶体是一种具有压电效应的晶体，当施加外力时，会产生电荷，这种电荷的大小与施加的力成正比。
因此，通过测量石英晶体的电荷变化，就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的结构非常简单，它由一个石英晶体片和一个电极组成。
石英晶体片通常是一个长方形的薄片，厚度只有几毫米，宽度和长度分别为几毫米到几厘米不等。
电极则是两个金属片，分别固定在石英晶体片的两端。
当物体放在石英晶体片上时，物体的重力会使石英晶体片产生微小的弯曲，从而改变石英晶体片的压电效应，产生电荷。
这些电荷被电极收集起来，通过放大器放大后，就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的精度非常高，可以达到微克级别。
这是因为石英晶体具有非常好的稳定性和重复性，可以在长时间内保持稳定的压电效应。
此外，石英晶体的压电效应与温度、湿度等环境因素的影响非常小，因此可以在各种环境下进行精确的质量测量。
石英晶体微天平广泛应用于化学、生物、医学等领域的研究中。
例如，在化学实验中，可以用石英晶体微天平来测量化学反应中物质的质量变化，从而研究反应的动力学和热力学性质。
在生物学和医学中，石英晶体微天平可以用来测量细胞、蛋白质等生物分子的质量，从而研究它们的结构和功能。
除了石英晶体微天平，还有其他类型的微天平，如电容微天平、磁悬浮微天平等。
这些微天平的原理和应用都有所不同，但它们都具有高精度、高灵敏度的特点，可以用于各种精密测量和研究。
石英晶体微天平是一种非常重要的质量测量仪器，它的原理简单、精度高，应用广泛。
随着科技的不断发展，微天平的精度和应用范围还将不断扩大，为科学研究和工业生产带来更多的便利和发展机遇。
(ITS稿件)石英晶体动态汽车衡的特点及应用
石英晶体动态汽车衡的特点及应用内容提要：国内公路货车计重收费动态称重设备，目前大多采用电阻应变传感器的秤台式或弯板式结构，受电阻应变传感器特性和实际使用的条件限制，这种设备在使用寿命、称量精度、后期维护等方面都存在不同程度的问题。
本文通过介绍石英晶体传感器及其动态汽车衡的应用，旨在探讨公路动态称重设备应用技术的新途径。
石英晶体的压电特性及应用石英（SiO2）是一种天然的压电材料，当受外力作用时，石英表面便会产生电荷，即压电效应。
用于制造传感器的石英需要置于高温、高压（1000bar，400℃）热压容器内，经过长时间的培养（每公斤石英约需一周）。
使用光学晶体测角仪可以测出晶体的方向，晶体有纵向、横向和剪切向三种不同的切割方式，某一种切割方式的石英晶体只对相应方向的力敏感，分别称为纵向效应、横向效应和剪切效应：●纵向效应，电荷产生在受载石英的表面（如图1）●横向效应，电荷产生在与受载表面垂直的另两个未加载的表面（如图2）●剪切效应，电荷产生在受剪切载荷的石英表面（如图3）图1纵向效应图2横向效应图3剪切效应石英晶体用于各种力的测量时，根据应用场合的需要，选择不同切割方向的石英晶体作为检测元件，可以避免其它方向力的干扰。
承载垫(可被研磨)合金铝质型材石英敏感元件弹性材料图5石英晶体压电检测器件a)内部结构b)外形封装石英晶体损耗小，品质因素可达数百万，耐老化性能好，可长时间稳定可靠工作，99％以上的电子设备都采用石英晶体振荡器作为时间或频率的基准，在民用、工业、军事和航天领域获得了非常广泛的应用。
本文介绍石英晶体作为动态称重（WIM）传感器在公路动态称重设备中的应用。
石英晶体传感器的结构及特点1.采用石英晶体传感器的动态汽车衡构成原理图4为石英晶体动态汽车衡检测部分的构成原理，其中的核心部件Lineas ®石英晶体动态称重传感器与电荷放大器（Charge Amplifier），由瑞士Kistler （奇石乐）公司配套生产。
2010石英晶体微天平(物质结构).
当晶体被浸入到溶液中，振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时，频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的，需要 修正。
当石英晶体振荡与流体接触时，晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率，并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层，它导致 频率与(h)1/2成比例降低，这里和h分别 是流体的密度和粘度。
1.
Quartz crystal
2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A（q q）1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
Biochemical and Biophysical Research Communications 313 (2004) 3–7
Fig. 1. Schematic illustration of the sensing process of the amplifyingsystem based on Au nanoparticle-covered QCM surface.
(a) Sensor without surface modification by nanogold. (b) Sensor with surface modification by nanogold.
Static cell
• 5-10 uL liquid sample reservoir • Holes for electrochemical electrodes • O-ring seal • Resists harsh chemicals Additional holes for purge or s出，石英晶体振荡 频率的变化与晶体的质量堆积密切相关。 因此，对于气相中分析物的检测，频率变 化与质量变化有一简单的相关：
石英晶体微天平最基本的原理
石英晶体微天平最基本的原理石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应:石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场;反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，防腐热电偶晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。
它其实与LC回路的谐振现象十分相似:当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF;当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为几十mH到几百mH。
由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。
防爆热电偶由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
二、石英晶体微天平的主要构造:QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。
石英晶体传感器的基本构成大致是:从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT-CUT)得到石英晶体振荡片，铠装热电偶在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。
在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。
一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等;电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等;三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
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图1 石英晶体
轴方向受一外力作用时，
等量的正负电荷，这种现象称为纵向压电效应。
轴的平面内，
图2 X切割的石英晶体片
三、压电石英称重传感器的工作原理
压电石英称重传感器是利用石英晶体的
纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装
置。
现以一个X切割的石英晶体圆片为例，
计算它的电荷、电压。
石英晶体圆片如图3
所示。
设石英晶体圆片直径为d，厚度为t。
当
石英晶体圆片沿X轴方向受外力F x作用时，
在垂直于F x的平面上产生电荷，而且其外力
与产生的电荷存在线性关系。
图3 石英晶体圆片受力图
（C）式中：Q x—石英晶体圆片垂直于F x平面产生的电荷
d11—石英晶体的纵向压电模数，d11=2.31PC/N
两个表面之间的电压U x为：
U x=Q x/C x=d11F x/C x （V）式中：C x—石英晶体圆片的电容量
C x=επd2/4t （F）
ε—石英晶体的介电系数。
量程（与转换系数有关）由反馈电容确定，通常称为量程电容。
通过测得的电压值，就可得到所测载荷的大小。
图4 两个石英晶体片并联示意图
英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总
电荷量则不变，如图5所示。
若n个石英晶体片串联连接，由于输出电压
增加n倍，因此电压灵敏度也增加n倍，而电荷
灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。
由此可得出，多个石英晶体片并联连接时，
输出电荷量大，电荷灵敏度高；串联连接时，输
出电压大，电压灵敏度高。
图5 两个石英晶体片串联示意图
四、压电石英称重传感器的结构与特点
单分量压电石英称重传感器的结构象一个承载垫圈，由带底座的外壳，两个X切割的石英晶体圆片，夹在两个圆片之间的电极板，带有密封膜片的上压头和信号输出插座组成，如图6所示。
石英晶体敏感元件及压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。
一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮重、轴重秤或条形称重板。
一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器内，形成专用的压电石英称重传感器，将其埋在公路表面截面为50×50mm的长槽内，形成动态公路车辆轴重秤。
瑞士Kistler（奇石乐）公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。
它的总体结构如同1m长的工字梁，所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面，实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔，它的结构如图7所示。
图7 梁式压电石英称重传感器。