ANSYS具有mesa结构的石英晶体微天平能陷效应分析与仿真(2)
1.2 石英晶体微天平 1.2.1 QCM 概述 石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance－QCM）的发展始于上世纪60年代初期，它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。QCM 在微量化学、分子生物学、遗传学、环境学以及其他一些涉及质量、密度及粘度等检测的领域得到了大量的运用。早在1959年，德国物理学家 Sauerbrey[10]就已经提出厚度切变压电石英晶体频移△f与晶体表面均匀吸附的薄层刚性物质的质量△m 所之间存在着线性关系。QCM 最早应用于真空膜厚度检测。使用时将石英晶片置于工件附近，喷镀物质在工件和石英晶体上同时沉积。从频率变化与质量负载之间的这种线性关系，可以直接测出镀膜的厚度。随着理论的不断完善，测量对象从气体衍生到液体，到八十年代，Nomurat 和Konash[12]等实现了石英晶体在溶液中的振荡[1]，将石英晶体微天平成功地应用到基于液相的测定。由于液相条件下的影响因素较多且复杂，相比在气相中的应用，QCM 的响应参量不仅仅决定于电极表面上的质量负载，还跟本体液性质、温度、界面性质等有着直接的关系。因而，在进行液相测定时，需要严格控制测定条件，以保证液体相关的物理化学性质参量保持不变[9]。1982 年Nomura和Okuhara最先提出了可以在液相中驱动QCM 振动的电路，将 QCM 的应用扩大到了液相领域。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛顿流体中振荡时其谐振频率变化与液体的粘度和密度的关系[5]。
1.2.2理论基础 居里兄弟通过不断的研究，于 1880年共同发现了晶体的压电特性。文献综述压电特性是如在晶体表面施加一定的压力，就会在晶体两表面产生电压，电压值大小与压力成正比。压电特性的产生原理是由于晶体在结构上是属于非中心对称的空间群物质，而当有外力作用是会产生形变，晶体内部的原子会发生位移，产生极化现象，同时使晶体表面上产生电荷，从而将机械能转化为电能。压电特性的另一种形式是：当在晶体两端加上电场时，无中心物质的偶极子就会重新定位，引起原子位移，产生机械形变，从而将电能转化为机械能，这个现象就是所谓的逆压电现象。如果在晶体加上交变电压时，晶体就会产生机械振动，同时晶体的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，逆电压效应差生的机械振动的振幅会随着频率变化，在某一个特定的频率时候，机械振动的振幅会急剧增大，这个频率点叫谐振频率。 QCM 在逆压电效应的影响下，在交变电场的作用下会产生机械形变，从而产生机械波。这种机械波属于一种本体波形（BAW），它被称为厚度剪切型声波（TSM）。而当声波在晶体中穿过，并在晶体的表面产生全反射的时候，就会产生驻波。经过翻阅资料可以得到产生驻波的条件：晶体厚度（�
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