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QCM传感器原理与结构.
资料介绍
QCM（Quartz Crystal Microbalance，石英晶体微天平）传感器是一种基于石英晶体压电效应原理工作的高精度质量传感器。它通过测量石英晶体共振频率的变化来检测微小质量的变化，具有灵敏度高、响应速度快、操作简便等特点，被广泛应用于化学、生物、材料科学等领域。
一、基本原理
QCM传感器的核心元件是石英晶体谐振器，通常采用AT切型石英晶体。其工作原理基于压电效应和质量负载效应：
· 压电效应：石英晶体在交变电场作用下会产生机械振动（逆压电效应），同时机械振动也会产生交变电场（正压电效应）。当外加交变电场的频率与晶体的固有谐振频率一致时，晶体发生共振，此时阻抗最小，频率稳定性最高。
· 质量负载效应：当石英晶体表面吸附或沉积微小质量（如气体分子、生物分子、薄膜等）时，晶体的固有谐振频率会发生变化。根据Sauerbrey方程，频率变化量（Δf）与负载质量（Δm）之间存在线性关系：Δf = -2f₀²Δm/(A√(ρqμq))，其中f₀为晶体的基频，A为电极面积，ρq和μq分别为石英晶体的密度和剪切模量。
二、结构组成
QCM传感器主要由以下部分组成：
· 石英晶体片：通常为圆形薄片，厚度由基频决定（如10 MHz晶体厚度约为0.16 mm），具有良好的机械和化学稳定性。
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