在上世紀60年代初期，石英晶體微天平開始發(fā)展，其為一種靈敏度十分高的質(zhì)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(zhì)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(yīng)，使石英晶體電極表面質(zhì)量變化向著石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化轉(zhuǎn)化，從而利用計算機等其他輔助設(shè)備使得高精度的數(shù)據(jù)獲得。

基本原理

對石英晶體的壓電效應(yīng)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(yīng)為：在不受外力作用時，石英晶體內(nèi)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(cè)，晶格的電荷zhong心會發(fā)生偏移而極化，那么會有電場產(chǎn)生于晶片相應(yīng)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(chǎn)生機械形變，，該種物理現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。若將交變電壓施加于晶片的兩極上，就會使得晶片產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)象：當晶體不振動時，能夠?qū)⑵洚斪饕粋€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(gòu)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(zhuǎn)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(guān)聯(lián)，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(wěn)定度獲得。