石英晶体传感器及其应用
中心论题：
- 石英晶体传感器的分类和工作原理。
- 石英晶体机械传感器介绍。
- 通用石英晶体传感器。
- 石英晶体化学传感器介绍。
- 石英压力温度传感器。
- 石英晶体DNA生物传感器 。
- 通过顶部的金属膜片将压力传递到石英片上。
- 通过测量频率实现对重力的测量。
- 基于测量石英晶体的频率确定外力。
- 通过切角的选择提高频率温度的线性度。
- 石英晶体的谐振频率随被检测物体密度的大小而变化制成石英晶体密度传感器 。
- 由振荡频率与附在电极表面上的质量成反比达到检测频率实现检测DNA的目的。
引言
凡是把非电量转换为电量的装置均称为传感器，它是实现信息检测、转换、控制和传输的元器件。石英晶体传感器按用途、结构、形状等大体可分为机械传感器、通用传感器、化学传感器以及应用于DNA检测的生物传感器，而石英压力温度传感器是一种典型的机械通用型传感器。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路等组成。
石英传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体传感器的原理框图见图1，石英晶体的主要成份是二氧化硅，其密度为2.65×103kg/m3，莫氏硬度为7，熔点高达1750℃，难溶于水，长期稳定性能好，石英晶体具有较高的机电耦合系数，线性范围宽，重复精度高，滞后小，无热释电效应，动态特性优良，振动频率稳定，是其它材料难以代替的。
图1 石英晶体传感器的原理框图
根据石英晶体的压电效应、压电逆效应及对某些物理量和化学量的变化会引起其频率和Q值（或等效电阻）发生变化的原理而制成的石英传感器，具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、反应迅速、数字输出等独特的优势。由于晶体是频率控制元件，本身就能达到数字化（以频率的方式输出），当绝对频偏与被测含量呈线性关系时，其数字处理既简单又方便，且输出数字量稳定可靠，易与计算机接口，有利于二次仪表的数字化。数字量与模拟量相比，具有抗干扰性强，适宜于远距离传输，消除了模拟数字转换这一复杂环节及其造成的误差。由于石英晶体还具有短稳频率与长稳频率的优良特点，传感器的分辨率可提高几个数量级，减少了传感器的校准次数。
石英晶体机械传感器
石英晶体机械传感器主要用于测量位移、速度、力、弹性、重量等，较有代表性的传感器包括石英晶体测力计、石英晶体压力计、石英晶体加速度计、石英谐振式重力仪、石英差频重力仪等。
a石英晶体测力计
根据压电效应原理制造的石英晶体测力计，与接触表面的面积大小无关，当石英晶体受到力的作用时会产生机械形变，在其表面形成束缚电荷，电荷量的大小与作用力成正比，故测出其表面电荷量就可显示出作用力。大部分石英晶体测力计均采用压电系数较大的X切型或AT切型的晶体，X切型晶体的压电方程为：
qX=d11FX（1）
式中，d11为压电常数，FX为沿晶体X方向施加的压力，qX为垂直于X轴平面上的电荷。从此式可见，配以适当的电荷放大器就可以测出作用力。
石英晶体测力计的结构多种多样，目前研制的环形石英晶体测力计由两个石英晶片、两块环形石英质量块组成，中间夹一金属片作为电极引出线，另一电极为晶体与壳体相连的引出线，测力范围为100kg～105kg。测力计主要应用于测量机床的切削力、机械工具上的实际应力、枪炮的后座力、发射火箭的推力、缆车报警装置等，例如上海测试研究所研制的测力垫圈（测力范围小到100N左右）、瑞士生产的9257A型测力平台等。
b 石英晶体压力计
石英晶体压力计亦称石英晶体压力传感器，它是依据压电效应原理（利用外界压力在石英晶体表面形成电荷，再实现电荷放大）或利用石英晶体的频率随外力的改变而改变的特性制成的。石英晶体一般采用5MHz的AT切型或SC切型，其电荷灵敏度方程为：
式中，F为晶片所承受的外载，Q为总电荷，dmj为压电常数。力频特性的理论表达式为：
式中，F为力，为晶片直径，t为晶体厚度;No为频率常数，kf为力频系数。通常采用的晶体切型为AT、BT和旋转X切。这种传感器大部分为膜片式结构，例如圆筒形的石英晶体压力传感器（QPT）由膜片、石英晶片和壳体组成，这是通过顶部的金属膜片将压力传递到石英片上的。
石英晶体压力计主要应用于气象、海洋潮汐和海啸预警、海洋图形、喷气发动机等的测量。美国惠普公司生产的2811B型压力计的灵敏度为105Hz/6.9kPa，量程为0～82.7MPa，工作温度范围为0℃～150℃，压力标定范围为1.4MPa～75.9MPa,重复性为±2.76kPa，准确度为±0.025％（温度变化小于1℃）。瑞士奇石乐公司生产的测量汽缸内压力的石英压力传感器，测量的压力上限可达300MPa～400MPa。
c石英晶体加速度计
依据谐振频率与惯性力关系原理制造的石英晶体加速度计，灵敏度公式为SW=SF•m，式中，m为质量（一般取1g～500g），SF为力频灵敏度。石英晶体一般采用AT切型和X切型，具有灵敏度高、线性度好，重量轻、数字输出等特点，是测量振动与冲击的一种理想传感器。石英加速度计一般分为线性加速度计和振动冲击加速度计，还有一种伺服加速度计是利用石英晶体的机械特性而不是压电特性制成的一种电容式传感器。
目前研制的石英晶体加速度计包括压缩式、悬臂式和膜合式等。晶体密封在充入干燥氮气的膜盒内，膜盒的活动端加在晶体的自由端上，外加负载，成为膜合式。
石英晶体加速度计用于测量导弹、航空航天飞行器的法向、纵向、横向加速度，汽车和舰船等交通工具加速度的检测和控制等。典型的石英晶体加速度计的灵敏度约为200Hz/G，分辨率优于10－3G,非线性度为1％,横向灵敏度<2％。悬臂式石英晶体加速度计采用音叉晶体（Z切形），频率为70kHz或71kHz，t=0.15mm，W=0.18mm，P=2650kg/m3，E=7.8×1010Pa。
d 石英谐振式重力仪
测量石英晶体频率以确定重力的石英谐振式重力仪的石英晶片的频率为20.0006MHz，在一个巨大重物和测重锤之间放一个石英晶体，从而改变其振子的谐振频率，通过测量频率就可以实现对重力的测量，主要应用于海洋考察、地质调查、石油勘探等，绝对误差为±4×10－6m/s2。
e石英差频重力仪
石英差频重力仪的频率变化与外界作用力的大小和方向有关，也是基于测量石英晶体的频率来确定外力的。它主要由力敏传感器、石英晶体、自激振荡器、混频器、差频放大器和电子频率计数器等组成。石英晶体的频率为5MHz,绝对误差为3×10－5m/s2。
通用石英晶体传感器
通用石英晶体传感器主要用于测量温度、湿度、热量、磁性、颜色等，较有代表性的有石英晶体温度计、石英晶体湿度计等。
a石英晶体温度计
石英晶体的频率温度特性方程为：f=fO(1＋aΔT＋bΔT2＋cΔT3)，由此可见，通过切角的选择，使系数b和c接近于零，可提高频率温度的线性度。石英晶体温度计就是利用石英晶体的频率温度特性原理制成的。最先采用的为＋5°Y切型，后来美国发明了温度特性极好的LC切型，日本发明了NL切型，东洋通信研制的－31.5°Y切型的详情见表1。
表1 几种石英晶体温度计的性能
石英晶体温度传感器主要用于工业、农业、军事、科学、环境等领域的测量，国内石英晶体温度计的生产企业主要有上海测试研究所等。
b 石英晶体湿度传感器
石英晶体湿度传感器是根据石英晶体的谐振频率随湿度的大小而变化的原理制成的。石英晶体绝对湿度传感器主要用于检测气相中微量水的含量，感湿原理为微孔物理吸附，转换因子,式中 ，t′为感湿膜厚度，t″为孔的深度，θ为孔的密度。一般采用Al2O3多孔薄膜为敏感膜，孔愈密愈深，感湿膜面积愈大，灵敏度愈高，平均孔径约为1000?，单位为10－6。
石英晶体相对湿度传感器主要用于检测气相在环境湿度下的饱和度的百分比。例如将磺酸共聚物涂敷在频率为10MHz、尺寸为6mm×1.5mm的AT切长方形片子上，面积为3mm2，灵敏度为－7.7Hz/mg。
石英晶体化学传感器
石英晶体化学传感器主要用于测量质量、浓度、密度、气味等，较有代表性的有石英晶体密度传感器、石英晶体振荡式水分仪、石英晶体浓度传感器、石英晶体气味鉴别传感器等。
a石英晶体密度传感器
这种传感器是根据石英晶体的谐振频率随被检测物体密度的大小而变化（低气压时空气密度比大气密度低一个数量级以上）的原理制成的。目前研制的石英晶体密度传感器有活塞式、膜片式和金属膜式等。一般采用10kHz音叉晶体，测量范围为290Pa～930Pa，灵敏度为1％，密度变化率为－17％～26.7％。
b石英晶体振荡式水分仪
根据石英晶体的物理化学特性和压电效应原理制成的石英晶体振荡式水分仪，其振荡频率与感湿膜的吸附重量成反比。石英晶体的频率变化量Δf=－2.3×106f2ΔM/A,式中，ΔM为薄膜感应到水分的重量，f为石英晶体的频率，A为薄膜面积。根据重差ΔM和频差Δf设计的数模测量电路，可用数字显示出水分浓度的含量。
一般采用的石英晶体为9MHzAT切金电极，电极上再涂敷一层感湿膜。日本研制的该种水分仪的型号为MAH50、MAH50D，主要用于水溶杂质的分析。
c石英晶体气味鉴别仪
根据石英晶体压电效应原理研制的气味鉴别仪，是一种模拟人的嗅觉功能的仪器。主要由石英晶体与类脂双分子膜组成，改变类脂膜的分子结构，就可判别出相应的香、苦、臭等气味的物质。例如日本研制的酒味传感器，被覆6个不同的敏感膜，输出6个不同的频率变化量，进入神经网络微机辨别系统后就可对其辨别，测试出酒的浓度。一般采用9MHzAT型切晶体，在电极膜上涂敷合成类脂膜。
d石英晶体浓度传感器
利用石英晶体的微天平效应原理，在石英晶体的表面涂敷一层化学物质，化学物质将大气中的NH3、H2S、HCl、NO2、CO2、CO、H2等吸附后，改变了薄膜质量，即改变了石英晶体的质量负荷，从而改变了石英晶体的频率，产生绝对频偏。
一般采用圆形AT切型或BT切型石英晶片，这种切型对表面负荷的效果明显，例如可检测空气中10－6～10－9量级的汞传感器，其汞分子对金电极有巨大的吸附力，而其它物质却有良好的化学稳定性，吸附面积为0.5cm2。现在研制成功的有汞测度仪、汞汽监控系统、CO传感器、气体成分分析仪等。
石英压力温度传感器
石英压力温度传感器是机械传感器与通用传感器有机结合的一种通用型机械传感器。石英晶体通过片子两端的搭桥与圆管表面相连，在端盖上有两个备有金属电极的舌片，两舌片紧挨石英晶体的表面，圆管内充惰性气体，石英晶体为柱形曲面。一般采用SC切型，其C模的检测压力为616.89kg，力频灵敏度为66.47Hz/kg，分辨率为0.015kg/Hz，测温范围为0℃～200℃，其B模的频率温度系数为－25×10－6/℃，分辨率为0.007℃/Hz。
当SC切被激励起振后，B、C模分别通过放大器输入到滤波器，并在脉冲电路中形成脉冲信号，汇入微处理机后显示出压力和温度的数字。这种传感器主要用于测量流体中的压力和温度。
石英晶体DNA生物传感器
根据石英晶体表面微小的压力变化都会引起其谐振频率变化的原理，可将石英晶体作为换能器，在石英晶体电极区的表面固定ssDNA探针，并将其浸入含有被测目标ssDNA分子的溶液中，形成dsDNA，引起石英晶体频率的变化，振荡频率与附在电极表面上的质量成反比，通过检测频率就可以达到检测DNA的目的。
结束语
随着我国加入WTO，用微机和电脑控制的仪器设备进一步得以应用和普及，易与计算机接口的数字输出型石英晶体传感器必将得到广泛应用和发展。随着石英晶体片式化水平的不断提高，石英晶体传感器将朝着片式化、微型化的方向发展。石英晶体传感器的前景广阔。 关键字：石英晶体传感器 机械传感器 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80000406
