石英晶体微量天平说明书
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。
美国Gamry石英晶体微天平简介
fp fs
Gamry石英一台仪器可以配多种频率的晶片
• 频率分辨率是0.02Hz
– 不论频率高低分辨率相同
• Gamry的QCM能同时 给出fs和fp的值
• 专业设计控温配件
QCM质量检出限
• Sauerbrey方程
∆f=Cf ∆m • 以5MHz和10MHz晶片为例
Crystal–Applied Potential
QCM原理
• 石英晶片上有其他材料
– 金，铂，碳，其他 – 附着方式如溅射，粘贴等
• 振动可以用BvD模型来 等效
++++++++++++++++++++ ----------------------
QCM原理
• 商业化依赖于锁 相放大器的 QCM，手动抵 消fp，只给出串 联相应频率fs
放o圈
放晶片
固定晶片
连接仪器BNC
溶液槽
控温夹套
•具体操作大图见附件文件
嵌入安装
铁片固定
Gamry石英晶体微天平的安装
• 控温配件和仪器通过BNC连接 • 仪器两根线
– 电源线 – 电脑usb通信线
Gamry石英晶体微天平晶片
Gamry QCM软件
Gamry QCM软件
• Description – 对样品进行说明，备注
– 5MHz的校正因子Cf为56.6Hzcm2/ug
0.02Hz 56.6Hz cm2
/
ug
1cm2
0.35ng
– 10MHz的校正因子Cf为226Hzcm2/ug
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。
1
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
26
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。
QCM石英微天平
QCM石英微天平名目一、什么是石英微天平(QCM)?二、QCM的应用三、KSV QCM500的工作原理四、KSV-QCM500的特点及技术参数五、实例一、什么是石英微天平(QCM)?因此，人们把QCM描述成一个超灵敏的质量传感器，它的核心部件是夹在一对电极中的AT切割石英晶体。
在电极与振荡器连接并施加交流电压之后，石英晶体因为压电效应会以它的谐振频率振荡。
因为高质量的振荡，因此振荡通常会专门稳固。
依照Sauerbrey公式，假如在一个或两个电极上平均地制备一个硬层，谐振频率的衰减与被吸附层的质量成正比。
△f：所要测定的频率变化量f0：石英的固有频率△m：单位面积的质量变化量(g/cm2)A：压电活性面积rq：石英的密度=2.648g/cm3m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.以下几种情形不适用于Sauerbrey公式：1) 被吸附的物质在电极表面上呈非刚性状态；2) 被吸附的物质在电极表面上滑动；3) 被吸附的物质在电极表面上沉积的不平均；因此，Sauerbrey公式仅严格适用于平均、同质、刚性薄膜的沉积。
由于那个缘故，专门多年来，QCM仅仅被视为气相物质的检测器。
直到二十世纪80年代，科学家们才认识到假如石英完全浸入液体中，也能受激发产生稳固的振荡。
Kanazawa及其合作者对QCM 在液相中测量方面做了许多开拓性的工作，他们指出QCM从空气进入到液体时，它的谐振频率的变化是与液体的密度与粘度乘积的平方根成正比例的，如下式。
△f：所要测定的频率变化量fu：石英的固有频率rL：与石英接触的液体的密度h L：与石英接触的液体的粘度rq：石英的密度=2.648g/cm3m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.当人们发觉过量的粘性载荷并不阻碍在液体中使用QCM，而且它对固-液态中质量的变化仍旧专门灵敏，QCM就被用于直截了当与液体和/或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量和粘弹性特点的变化。
石英晶体微量天平说明书
fQ
式中：
N d
f Q 为石英晶体的固有谐振频率
N 为频率常数，其值为 167kHz.cm
d 是晶体厚度
从上式微分可推导出：
f Q
根据下列关系式
Nd d2
m A f d f A Q d
式中， A 为晶体被镀面积， f 为膜层密度， Q 为石英密度 2.65g/cm2，
警告 CAUTION
在指定位置安装完成之前，不要打开 QK20A 探头盖。因为操作过 程容易污染探头传感器。 每套 QK20A 包含如下用品： ·四只 QK20A 探头； ·四条 QK20A 电缆(共用一套 Y27-2255 插头)； ·一台 QK20A 控制器； ·一台 QK20A 控制器电源(含电源线)； ·一台控制计算机(含显示器和电源线)； ·一条串口连接线；
QK20A 操作手册 Operations Manual
Page1-4
第二章 Chapter2 控制器和探头的安装 Installing the Controller, & Sensor 开箱检查 Inspecting and Unpacking the Shipping Box
首先检查 QK20A 包装是否破损。如果发生破损，应立即与托运人联 系。
d f 为膜层厚度， d
膜层等效石英晶体厚度。
得到：
操作手册 第一章 QK20A Chapter 1 Operations Manual 开始 Getting Started Page1-2
f Q (
式中：
f Q 为频率变化量
f Q2 N Q
) f d f
f d f 为沉积物面密度
连接电缆…………………………………..…….………...… 2‐4 安装探头…………………………………..….………..……. 2‐5 探头安装提示….………………………..….……….…..… 2‐6 检查探头和控制器.…………………..….…….………... 2‐5 第三章 Chapter3：控制软件.…………………………………….………..………. 3‐1 第四章 Chapter3：数据处理.…………………………………….………..………. 4‐1 第五章 Chapter3：维护.……………………………………………...……..………. 5‐1 附录 A Appendix A：技术指标.…………………………….…………..………. A‐1 附录 B Appendix C：订购指南.…………………………….…………..……….. B‐1 附录 C Appendix C：服务指南.………………………….……………..……….. C‐1 附录 D Appendix D：型谱.………………………….……………..………………. D ‐ 1
石英晶体微天平资料
1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型， 不忽略任何影响产品精确度的微小因素， 使样机的设计制作变得容易，为实际产品 的开发提供可靠的理论依据。 2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。 3.电路设计，实现晶体电路的自适应控制。
关键技术
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果， 本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定 了良好的基础。
石物 理英 晶学 体院 微 国天 平创 项 原目 (QCM) 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平（Quartz crystal microbalance） 是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳 克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高100 倍，理 论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的 几分之一。
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介 研究方案 预期目标
预期目标
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果， 本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定 了良好的基础。
晶体石英微天平天平安全操作及保养规程
晶体石英微天平天平安全操作及保养规程1. 前言晶体石英微天平（以下简称天平）是一种常用的实验室仪器，用于精确测量物质的质量。
为了确保实验室操作的安全性和天平的长期使用性能，本文档将介绍天平的安全操作规范和保养注意事项。
2. 安全操作规范2.1 电源安全•在使用天平之前，请先检查电源是否接地正常，避免触电事故发生。
•天平应连接到稳定可靠的电源插座，不得使用电源线路老化、插座松动的电源插座进行供电。
•当长时间不使用天平时，应及时拔掉电源插头以避免电源漏电。
2.2 操作规范2.2.1 检查天平状态•操作天平前，应仔细检查天平的外观和显示屏是否正常，如有异常请勿使用。
•建议每次使用前校准天平，确保准确性和稳定性。
2.2.2 天平的称量操作•在使用天平时，避免将过热的物品直接放置在天平上，以防止破坏仪器。
•请使用称量容器（如皿盖）将待称量物品与天平主体隔离，以避免直接接触。
•避免在称量过程中发生晃动或碰撞，以保证称量的准确性。
2.2.3 避免污染•在称量过程中，避免将有害、易燃或腐蚀性的物品接触到天平，防止污染和损坏天平。
•尽量避免直接用手触摸天平的感应面板，以免因手部油脂等污染对称量结果产生影响。
2.2.4 温湿度要求•天平应使用在适宜的温湿度环境中，工作温度范围一般为10℃ ~ 30℃，相对湿度为 30% ~ 70%。
•避免将天平长时间放置在高湿度、高温或者低温的环境中，以防止对天平内部电路产生损坏。
2.3 安全存放•当天平闲置时，应放置在干燥、通风且不受阳光直射的地方。
•避免尘埃和化学物质进入天平内部，以防止影响天平的测量准确性。
•不要将其他物品放置在天平上，以保持其整洁和正常工作状态。
3. 保养注意事项3.1 日常清洁•使用前后，可用软布轻轻擦拭天平的外壳和感应面板，保持干净。
•不要使用有机溶剂或腐蚀性液体清洁天平，以免损坏外壳和内部电路。
3.2 准确性校验•建议定期对天平进行准确性校验，确保测量结果的准确性和稳定性。
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QK20A 操作手册 Operations Manual
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QK20A 控制器硬盘中。可以通过 USB 接口或网络接口将数据传送到其他
第一章 Chapter 1 开始 Getting Started
数据分析计算机，计算污染沉积量。数据采集周期可以缩短，以便在数 据分析时进行数字滤波，消除环境干扰的影响。
d f 为膜层厚度， d
膜层等效石英晶体厚度。
得到：
操作手册 第一章 QK20A Chapter 1 Operations Manual 开始 Getting Started Page1-2
f Q (
式中：
f Q 为频率变化量
f Q2 N Q
) f d f
f d f 为沉积物面密度
QK20A 操作手册 Operations Manual
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第二章 Chapter2 控制器和探头的安装 Installing the Controller, & Sensor
安装 QK20A 控制器 Installing the Controller
QK20A 控制器可以安放在任何具有很少振动和噪声的非腐蚀性环境。 它的工作环境是：温度 15℃～35℃，湿度 20-50%。 QK20A 控制器应当安装在固定的工作台、仪器架、桌面等上面。控 制器的左侧和右侧是风扇散热面，不应有异物阻挡。控制器上侧为导热 散热面，不应摆放其他物品。
警告 CAUTION
在指定位置安装完成之前，不要打开 QK20A 探头盖。因为操作过 程容易污染探头传感器。 每套 QK20A 包含如下用品： ·四只 QK20A 探头； ·四条 QK20A 电缆(共用一套 Y27-2255 插头)； ·一台 QK20A 控制器； ·一台 QK20A 控制器电源(含电源线)； ·一台控制计算机(含显示器和电源线)； ·一条串口连接线；
fQ
式中：
N d
f Q 为石英晶体的固有谐振频率
N 为频率常数，其值为 167kHz.cm
d 是晶体厚度
从上式微分可推导出：
f Q
根据下列关系式
Nd d2
m A f d f A Q d
式中， A 为晶体被镀面积， f 为膜层密度， Q 为石英密度 2.65g/cm2，
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QK20A 操作手册 Operations Manual
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第一章 Chapter 1 开始 Getting Started 工作原理 Operating Principles
QK20A 石英晶体微量天平利用了石英晶体的两个效应：压电效应和 质量负荷效应，通过测定其固有谐振频率或与固有谐振频率有关的参量 变化来监控沉积薄膜的厚度，其基本原理如下 石英晶体压电效应的固有谐振频率与厚度的关系为：
( f Q2 N Q ) 为天平常数，
QK20A 石英晶体微量天平由两个晶片组成，其中一个晶片是传感晶 片，用于接收环境沉积污染，另一个晶片是参考晶片，密封安装免受环 境污染。QK20A 测量是传感晶片与参考晶片的谐振频率的差。随着暴露 在环境中传感晶片表面沉积污染的累积，谐振频率差按比例增加。由测 量软件计算这个频率差对应的污染沉积量。 QK20A 监测分子污染过程如下： ·探头中暴露在环境中的传感晶片吸附环境的分子污染； ·设定探头的温度、采样速率等参数； ·参考晶片提供基频基准数据； ·实时时钟提供时间数据，使得用户知道污染是何时发生的。 测量数据在用户选定的时间间隔采集。当到数据采集时间时，软件启 动对传感器的数据采集。数据采集的时间也被记录。这些数据储存了
连接电缆…………………………………..…….………...… 2‐4 安装探头…………………………………..….………..……. 2‐5 探头安装提示….………………………..….……….…..… 2‐6 检查探头和控制器.…………………..….…….………... 2‐5 第三章 Chapter3：控制软件.…………………………………….………..………. 3‐1 第四章 Chapter3：数据处理.…………………………………….………..………. 4‐1 第五章 Chapter3：维护.……………………………………………...……..………. 5‐1 附录 A Appendix A：技术指标.…………………………….…………..………. A‐1 附录 B Appendix C：订购指南.…………………………….…………..……….. B‐1 附录 C Appendix C：服务指南.………………………….……………..……….. C‐1 附录 D Appendix D：型谱.………………………….……………..………………. D ‐ 1
QK20A 操作手册 Operations Manual
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第二章 Chapter2 控制器和探头的安装 Installing the Controller, & Sensor 安装探头 Installing the Probe
在安装过程中确保传感晶片免受环境污染。
警告 CAUTION 一旦晶片暴露在空气中，QK20A 上的传感晶片将开始吸附环境的 分子污染物。为此，不要在非测试环境中打开 QK20A 探头盖。 1 确定 QK20A 探头插座方向与控制电缆上插头方向一致； 2 将控制电缆插头插入 QK20A 探头上的 10 芯插座， 注意控制电缆插 头红点标志与 QK20A 探头上红色槽方向一致； 3 根据安装支架，选择 QK20A 上的固定孔，利用真空专用固定绳将 探头安装在支架上。
QK20A 操作手册 Operations Manual
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第二章 Chapter2 控制器和探头的安装 Installing the Controller, & Sensor
确定安装 QK20A 最佳位置 Determining the Best Location for the QK20A
QK20A 操作手册 Operations Manual
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第二章 Chapter2 控制器和探头的安装 Installing the Controller, & Sensor 开箱检查 Inspecting and Unpacking the Shipping Box
首先检查 QK20A 包装是否破损。如果发生破损，应立即与托运人联 系。
第二章 Chapter2 控制器和探头的安装 Installing the Controller, & Sensor 连接电缆 Connecting Cables
连接电缆包括连接探头与控制器的控制电缆，以及控制器的电源电 缆。 控制电缆两端端口采用相同的型式的插头，可以互用，电缆线没有 方向性。 连接控制电缆到控制器 1 确保您接触接地设施，释放了静电； 2 将控制电缆 10 芯插头插入到控制器上四个探头插座之一， 插头上 的红点应与插座上的标红的槽方向一致。手持滚花部分，将插头推进插 座内。 连接电源线缆到控制器 QK20A 应使用任何符合中华人民共和国交流电源标准的电源，输入 电压单位为 210VAC～230VAC，50Hz，注意不能使用 110V 60Hz 美国标准 的交流电源。 1 确保您接触接地设施，释放了静电； 2 将电源电缆 3 端凹插头插入到 QK20A 控制器电源插座； 3 将电源电缆 3 端凸插头插入到墙电或接线板。
பைடு நூலகம்
第一章 Chapter 1 开始 Getting Started
产品简介 Product Overview
QK20A 石英晶体微量天平能够实时监测沉积在表面上的分子污染。 通过对物质沉积发生过程实时精确监测，QK20A 获知在洁净间和真空环 境下污染物在表面的沉积量，可以由此来定位和控制消除分子污染。 QK20A 能够在安装在敏感表面附近，沉积在敏感表面上的分子污染 也能同样沉积在 QK20A 传感器传感表面上，通过 QK20A 监测数据，可以 获得敏感表面发生的污染沉积量。 QK20A 能够实时监测 1.1ng/cm2/Hz 的质量变化，时间、频率值、温 度值等监测数据记录在计算机硬盘上。四只 QK20A 传感器探头能够与一 台 QK20A 控制器连接，硬盘容量能够记录 100 年的四台探头采集数据。 通过 USB 口、网络口，能够将 QK20A 检测的数据拷贝到其他数据处 理计算机，并进行数据分析的显示。
目录
Table of Contents 安全……………………… ……………………………………… 0‐1
第一章 Chapter 1：开始……………………… ……………………….…….……… 1‐1 产品简介…….…………………………… …………..……… 1‐1 工作原理 …………………………………….………….……. 1‐2 第二章 Chapter 2：控制器和探头安装 .……………….……………………. 2‐1 开箱检查 ……………………………..………………..…….. 2‐1 确定安装 QK20A 最佳位置 ………..………..…… 2‐2 安装 QK20A 控制器 …………………..…..……….. 2‐3
如果 QK20A 安装位置探头尽可能靠近您关注的关键敏感表面， QK20A 石英晶体微量天平监测系统会产生最准确的测量结果，安装位置选择要 求如下： ·应在打开 QK20A 探头盖前选定安装位置； ·QK20A 控制器应当位于距离探头不超过电缆线长度的位置，默认的 电缆线长度为 5 米，不同尺寸的电缆线可以订购； 大气下探头安装位置举例如下： ·操作设备的附近； ·局域小环境内部； ·空调系统进出口和压力管道附近。 真空热环境下探头安装位置举例如下： ·太阳反射器、敏感器附近； ·热沉附近； ·抽气管道出口。 记住，QK20A 是非常敏感的监测器。 ·避免 QK20A 探头和控制器处于高腐蚀性环境； ·避免把 QK20A 探头存放在分子污染高度严重的区域。