QCM石英微天平.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：石英微天平分析仪(QCM)介绍目录一、什么是石英微天平(QCM)?二、QCM的应用三、KSVQCM500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)?Pierre和MarieCurie在1880年指出在晶体的某个方向施加压力后四水合酒石酸钾钠晶体会产生电压。后来他们还指出存在相反的效应也即施加电压会产生应变。正是通过这些观察结果从而导致了压电效应的发现。起初压电效应无人问津直到1917年发现石英可用作传感器和水中超声波接收机后才开始对压电效应进行了许多详尽研究。到1919年开始出现了一些今天日常生活中所用的设备例如扩音器、麦克风和拾音器它们都是基于四水合酒石酸钾钠压效应的原理。到1921年出现了第一台石英晶控振荡器它基于X切割晶体。它的缺点是对温度很敏感。因此现在X切割晶体被用于那些即便很大的温度系数它的影响也极其微弱的领域如空间声纳仪中的变频器。1934年在引入了AT切割晶体后在所有的频率控制应用中石英晶体成为主流趋势。AT切割晶体的优点是在室温下它对温度几乎没有频率漂移。自很早石英谐振器开始用作频率控制元件以后在电极上划铅笔标记来增加谐振器的频率或者用橡皮擦去一些电极材料来减少频率已是普遍做法。这种对质量导致频率移动的理解仅仅建立在定性基础上的。然而在1959年Sauerbrey发表论文指出石英谐振器频率的移动与增加的质量成正比例。他此发现通常被看作是一个突破迈出了利用一种新的定量方法来测量微量物质的第一步例如石英微天平。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。因为高质量的振荡所以振荡通常会很稳定。根据Sauerbrey公式如果在一个或两个电极上均匀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/cm3mq：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.以下几种情况不适用于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均匀；因此Sauerbrey公式仅严格适用于均匀、同质、刚性薄膜的沉积。由于这个原因很多年来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如果石英完全浸入液体中也能受激发产生稳定的振荡。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hL：与石英接触的液体的粘度rq：石英的密度=2.648g/cm3mq：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.当人们发现过量的粘性载荷并不妨碍在液体中使用QCM而且它对固-液态中质量的变化仍然非常灵敏QCM就被用于直接与液体和/或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量和粘弹性特征的变化。甚至在空气或真空中各层的振幅衰减可看为忽略不计或极其微小因此它可用于探查石英上的耗散过程尤其适用于沉积在石英表面的软性凝聚态物质如厚的聚合物层。二、QCM的应用QCM是一款最主要的质量感测设备它能够在石英晶体上实时地测量极微小的质量变化。它的灵敏度是0.001mg几乎比灵敏度是0.1mg的电子微天平高100倍。这意味着它所能测到的质量变化相当于单分子层或单个原子层的几分之一。QCM所具有的高灵敏度以及在石英晶体上可实时测量质量变化的特点使它在很多领域的应用上成为一种极具吸引力的技术。特别是QCM系统在用于流体和粘弹性沉积技术上的发展使它受到强烈的关注。在液体系统方面QCM技术的主要优势在于它能允许不做标记的分子测量。QCM的部分应用领域如下所列似乎也只是我们的匮乏的想象力才限制了它的应用领域。·ThinFilmthicknessmonitoringinthermale-beamsputteringmagnetronionandlaserdeposition.