中心論題：
- 石英晶體傳感器的分類和工作原理。
- 石英晶體機(jī)械傳感器介紹。
- 通用石英晶體傳感器。
- 石英晶體化學(xué)傳感器介紹。
- 石英壓力溫度傳感器。
- 石英晶體DNA生物傳感器 。
解決方案：
- 通過頂部的金屬膜片將壓力傳遞到石英片上。
- 通過測(cè)量頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)重力的測(cè)量。
- 基于測(cè)量石英晶體的頻率確定外力。
- 通過切角的選擇提高頻率溫度的線性度。
- 石英晶體的諧振頻率隨被檢測(cè)物體密度的大小而變化制成石英晶體密度傳感器 。
- 由振蕩頻率與附在電極表面上的質(zhì)量成反比達(dá)到檢測(cè)頻率實(shí)現(xiàn)檢測(cè)DNA的目的。
引言
凡是把非電量轉(zhuǎn)換為電量的裝置均稱為傳感器，它是實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、控制和傳輸?shù)脑骷Ｊ⒕w傳感器按用途、結(jié)構(gòu)、形狀等大體可分為機(jī)械傳感器、通用傳感器、化學(xué)傳感器以及應(yīng)用于DNA檢測(cè)的生物傳感器，而石英壓力溫度傳感器是一種典型的機(jī)械通用型傳感器。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測(cè)量電路等組成。
石英傳感器的敏感元件是石英晶體，石英晶體傳感器的原理框圖見圖1，石英晶體的主要成份是二氧化硅，其密度為2.65×103kg/m3，莫氏硬度為7，熔點(diǎn)高達(dá)1750℃，難溶于水，長(zhǎng)期穩(wěn)定性能好，石英晶體具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，線性范圍寬，重復(fù)精度高，滯后小，無熱釋電效應(yīng)，動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良，振動(dòng)頻率穩(wěn)定，是其它材料難以代替的。
圖1 石英晶體傳感器的原理框圖
根據(jù)石英晶體的壓電效應(yīng)、壓電逆效應(yīng)及對(duì)某些物理量和化學(xué)量的變化會(huì)引起其頻率和Q值（或等效電阻）發(fā)生變化的原理而制成的石英傳感器，具有精度高、靈敏度好、測(cè)量范圍寬、反應(yīng)迅速、數(shù)字輸出等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于晶體是頻率控制元件，本身就能達(dá)到數(shù)字化（以頻率的方式輸出），當(dāng)絕對(duì)頻偏與被測(cè)含量呈線性關(guān)系時(shí)，其數(shù)字處理既簡(jiǎn)單又方便，且輸出數(shù)字量穩(wěn)定可靠，易與計(jì)算機(jī)接口，有利于二次儀表的數(shù)字化。數(shù)字量與模擬量相比，具有抗干擾性強(qiáng)，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸，消除了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換這一復(fù)雜環(huán)節(jié)及其造成的誤差。由于石英晶體還具有短穩(wěn)頻率與長(zhǎng)穩(wěn)頻率的優(yōu)良特點(diǎn)，傳感器的分辨率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，減少了傳感器的校準(zhǔn)次數(shù)。
石英晶體機(jī)械傳感器
石英晶體機(jī)械傳感器主要用于測(cè)量位移、速度、力、彈性、重量等，較有代表性的傳感器包括石英晶體測(cè)力計(jì)、石英晶體壓力計(jì)、石英晶體加速度計(jì)、石英諧振式重力儀、石英差頻重力儀等。
a石英晶體測(cè)力計(jì)
根據(jù)壓電效應(yīng)原理制造的石英晶體測(cè)力計(jì)，與接觸表面的面積大小無關(guān)，當(dāng)石英晶體受到力的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，在其表面形成束縛電荷，電荷量的大小與作用力成正比，故測(cè)出其表面電荷量就可顯示出作用力。大部分石英晶體測(cè)力計(jì)均采用壓電系數(shù)較大的X切型或AT切型的晶體，X切型晶體的壓電方程為：
qX=d11FX（1）
式中，d11為壓電常數(shù)，F(xiàn)X為沿晶體X方向施加的壓力，qX為垂直于X軸平面上的電荷。從此式可見，配以適當(dāng)?shù)碾姾煞糯笃骶涂梢詼y(cè)出作用力。
石英晶體測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)多種多樣，目前研制的環(huán)形石英晶體測(cè)力計(jì)由兩個(gè)石英晶片、兩塊環(huán)形石英質(zhì)量塊組成，中間夾一金屬片作為電極引出線，另一電極為晶體與殼體相連的引出線，測(cè)力范圍為100kg～105kg。測(cè)力計(jì)主要應(yīng)用于測(cè)量機(jī)床的切削力、機(jī)械工具上的實(shí)際應(yīng)力、槍炮的后座力、發(fā)射火箭的推力、纜車報(bào)警裝置等，例如上海測(cè)試研究所研制的測(cè)力墊圈（測(cè)力范圍小到100N左右）、瑞士生產(chǎn)的9257A型測(cè)力平臺(tái)等。
b 石英晶體壓力計(jì)
石英晶體壓力計(jì)亦稱石英晶體壓力傳感器，它是依據(jù)壓電效應(yīng)原理（利用外界壓力在石英晶體表面形成電荷，再實(shí)現(xiàn)電荷放大）或利用石英晶體的頻率隨外力的改變而改變的特性制成的。石英晶體一般采用5MHz的AT切型或SC切型，其電荷靈敏度方程為：
式中，F(xiàn)為晶片所承受的外載，Q為總電荷，dmj為壓電常數(shù)。力頻特性的理論表達(dá)式為：
式中，F(xiàn)為力，為晶片直徑，t為晶體厚度;No為頻率常數(shù)，kf為力頻系數(shù)。通常采用的晶體切型為AT、BT和旋轉(zhuǎn)X切。這種傳感器大部分為膜片式結(jié)構(gòu)，例如圓筒形的石英晶體壓力傳感器（QPT）由膜片、石英晶片和殼體組成，這是通過頂部的金屬膜片將壓力傳遞到石英片上的。
石英晶體壓力計(jì)主要應(yīng)用于氣象、海洋潮汐和海嘯預(yù)警、海洋圖形、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等的測(cè)量。美國(guó)惠普公司生產(chǎn)的2811B型壓力計(jì)的靈敏度為105Hz/6.9kPa，量程為0～82.7MPa，工作溫度范圍為0℃～150℃，壓力標(biāo)定范圍為1.4MPa～75.9MPa,重復(fù)性為±2.76kPa，準(zhǔn)確度為±0.025％（溫度變化小于1℃）。瑞士奇石樂公司生產(chǎn)的測(cè)量汽缸內(nèi)壓力的石英壓力傳感器，測(cè)量的壓力上限可達(dá)300MPa～400MPa。
c石英晶體加速度計(jì)
依據(jù)諧振頻率與慣性力關(guān)系原理制造的石英晶體加速度計(jì)，靈敏度公式為SW=SF•m，式中，m為質(zhì)量（一般取1g～500g），SF為力頻靈敏度。石英晶體一般采用AT切型和X切型，具有靈敏度高、線性度好，重量輕、數(shù)字輸出等特點(diǎn)，是測(cè)量振動(dòng)與沖擊的一種理想傳感器。石英加速度計(jì)一般分為線性加速度計(jì)和振動(dòng)沖擊加速度計(jì)，還有一種伺服加速度計(jì)是利用石英晶體的機(jī)械特性而不是壓電特性制成的一種電容式傳感器。
目前研制的石英晶體加速度計(jì)包括壓縮式、懸臂式和膜合式等。晶體密封在充入干燥氮?dú)獾哪ず袃?nèi)，膜盒的活動(dòng)端加在晶體的自由端上，外加負(fù)載，成為膜合式。
石英晶體加速度計(jì)用于測(cè)量導(dǎo)彈、航空航天飛行器的法向、縱向、橫向加速度，汽車和艦船等交通工具加速度的檢測(cè)和控制等。典型的石英晶體加速度計(jì)的靈敏度約為200Hz/G，分辨率優(yōu)于10－3G,非線性度為1％,橫向靈敏度<2％。懸臂式石英晶體加速度計(jì)采用音叉晶體（Z切形），頻率為70kHz或71kHz，t=0.15mm，W=0.18mm，P=2650kg/m3，E=7.8×1010Pa。
d 石英諧振式重力儀
測(cè)量石英晶體頻率以確定重力的石英諧振式重力儀的石英晶片的頻率為20.0006MHz，在一個(gè)巨大重物和測(cè)重錘之間放一個(gè)石英晶體，從而改變其振子的諧振頻率，通過測(cè)量頻率就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重力的測(cè)量，主要應(yīng)用于海洋考察、地質(zhì)調(diào)查、石油勘探等，絕對(duì)誤差為±4×10－6m/s2。
e石英差頻重力儀
石英差頻重力儀的頻率變化與外界作用力的大小和方向有關(guān)，也是基于測(cè)量石英晶體的頻率來確定外力的。它主要由力敏傳感器、石英晶體、自激振蕩器、混頻器、差頻放大器和電子頻率計(jì)數(shù)器等組成。石英晶體的頻率為5MHz,絕對(duì)誤差為3×10－5m/s2。
通用石英晶體傳感器
通用石英晶體傳感器主要用于測(cè)量溫度、濕度、熱量、磁性、顏色等，較有代表性的有石英晶體溫度計(jì)、石英晶體濕度計(jì)等。
a石英晶體溫度計(jì)
石英晶體的頻率溫度特性方程為：f=fO(1＋aΔT＋bΔT2＋cΔT3)，由此可見，通過切角的選擇，使系數(shù)b和c接近于零，可提高頻率溫度的線性度。石英晶體溫度計(jì)就是利用石英晶體的頻率溫度特性原理制成的。最先采用的為＋5°Y切型，后來美國(guó)發(fā)明了溫度特性極好的LC切型，日本發(fā)明了NL切型，東洋通信研制的－31.5°Y切型的詳情見表1。
表1 幾種石英晶體溫度計(jì)的性能
石英晶體溫度傳感器主要用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域的測(cè)量，國(guó)內(nèi)石英晶體溫度計(jì)的生產(chǎn)企業(yè)主要有上海測(cè)試研究所等。
b 石英晶體濕度傳感器
石英晶體濕度傳感器是根據(jù)石英晶體的諧振頻率隨濕度的大小而變化的原理制成的。石英晶體絕對(duì)濕度傳感器主要用于檢測(cè)氣相中微量水的含量，感濕原理為微孔物理吸附，轉(zhuǎn)換因子,式中 ，t′為感濕膜厚度，t″為孔的深度，θ為孔的密度。一般采用Al2O3多孔薄膜為敏感膜，孔愈密愈深，感濕膜面積愈大，靈敏度愈高，平均孔徑約為1000?，單位為10－6。
石英晶體相對(duì)濕度傳感器主要用于檢測(cè)氣相在環(huán)境濕度下的飽和度的百分比。例如將磺酸共聚物涂敷在頻率為10MHz、尺寸為6mm×1.5mm的AT切長(zhǎng)方形片子上，面積為3mm2，靈敏度為－7.7Hz/mg。
石英晶體化學(xué)傳感器
石英晶體化學(xué)傳感器主要用于測(cè)量質(zhì)量、濃度、密度、氣味等，較有代表性的有石英晶體密度傳感器、石英晶體振蕩式水分儀、石英晶體濃度傳感器、石英晶體氣味鑒別傳感器等。
a石英晶體密度傳感器
這種傳感器是根據(jù)石英晶體的諧振頻率隨被檢測(cè)物體密度的大小而變化（低氣壓時(shí)空氣密度比大氣密度低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上）的原理制成的。目前研制的石英晶體密度傳感器有活塞式、膜片式和金屬膜式等。一般采用10kHz音叉晶體，測(cè)量范圍為290Pa～930Pa，靈敏度為1％，密度變化率為－17％～26.7％。
b石英晶體振蕩式水分儀
根據(jù)石英晶體的物理化學(xué)特性和壓電效應(yīng)原理制成的石英晶體振蕩式水分儀，其振蕩頻率與感濕膜的吸附重量成反比。石英晶體的頻率變化量Δf=－2.3×106f2ΔM/A,式中，ΔM為薄膜感應(yīng)到水分的重量，f為石英晶體的頻率，A為薄膜面積。根據(jù)重差ΔM和頻差Δf設(shè)計(jì)的數(shù)模測(cè)量電路，可用數(shù)字顯示出水分濃度的含量。
一般采用的石英晶體為9MHzAT切金電極，電極上再涂敷一層感濕膜。日本研制的該種水分儀的型號(hào)為MAH50、MAH50D，主要用于水溶雜質(zhì)的分析。
c石英晶體氣味鑒別儀
根據(jù)石英晶體壓電效應(yīng)原理研制的氣味鑒別儀，是一種模擬人的嗅覺功能的儀器。主要由石英晶體與類脂雙分子膜組成，改變類脂膜的分子結(jié)構(gòu)，就可判別出相應(yīng)的香、苦、臭等氣味的物質(zhì)。例如日本研制的酒味傳感器，被覆6個(gè)不同的敏感膜，輸出6個(gè)不同的頻率變化量，進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)微機(jī)辨別系統(tǒng)后就可對(duì)其辨別，測(cè)試出酒的濃度。一般采用9MHzAT型切晶體，在電極膜上涂敷合成類脂膜。
d石英晶體濃度傳感器
利用石英晶體的微天平效應(yīng)原理，在石英晶體的表面涂敷一層化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)物質(zhì)將大氣中的NH3、H2S、HCl、NO2、CO2、CO、H2等吸附后，改變了薄膜質(zhì)量，即改變了石英晶體的質(zhì)量負(fù)荷，從而改變了石英晶體的頻率，產(chǎn)生絕對(duì)頻偏。
一般采用圓形AT切型或BT切型石英晶片，這種切型對(duì)表面負(fù)荷的效果明顯，例如可檢測(cè)空氣中10－6～10－9量級(jí)的汞傳感器，其汞分子對(duì)金電極有巨大的吸附力，而其它物質(zhì)卻有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，吸附面積為0.5cm2。現(xiàn)在研制成功的有汞測(cè)度儀、汞汽監(jiān)控系統(tǒng)、CO傳感器、氣體成分分析儀等。
石英壓力溫度傳感器
石英壓力溫度傳感器是機(jī)械傳感器與通用傳感器有機(jī)結(jié)合的一種通用型機(jī)械傳感器。石英晶體通過片子兩端的搭橋與圓管表面相連，在端蓋上有兩個(gè)備有金屬電極的舌片，兩舌片緊挨石英晶體的表面，圓管內(nèi)充惰性氣體，石英晶體為柱形曲面。一般采用SC切型，其C模的檢測(cè)壓力為616.89kg，力頻靈敏度為66.47Hz/kg，分辨率為0.015kg/Hz，測(cè)溫范圍為0℃～200℃，其B模的頻率溫度系數(shù)為－25×10－6/℃，分辨率為0.007℃/Hz。
當(dāng)SC切被激勵(lì)起振后，B、C模分別通過放大器輸入到濾波器，并在脈沖電路中形成脈沖信號(hào)，匯入微處理機(jī)后顯示出壓力和溫度的數(shù)字。這種傳感器主要用于測(cè)量流體中的壓力和溫度。
石英晶體DNA生物傳感器
根據(jù)石英晶體表面微小的壓力變化都會(huì)引起其諧振頻率變化的原理，可將石英晶體作為換能器，在石英晶體電極區(qū)的表面固定ssDNA探針，并將其浸入含有被測(cè)目標(biāo)ssDNA分子的溶液中，形成dsDNA，引起石英晶體頻率的變化，振蕩頻率與附在電極表面上的質(zhì)量成反比，通過檢測(cè)頻率就可以達(dá)到檢測(cè)DNA的目的。
結(jié)束語(yǔ)
隨著我國(guó)加入WTO，用微機(jī)和電腦控制的儀器設(shè)備進(jìn)一步得以應(yīng)用和普及，易與計(jì)算機(jī)接口的數(shù)字輸出型石英晶體傳感器必將得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。隨著石英晶體片式化水平的不斷提高，石英晶體傳感器將朝著片式化、微型化的方向發(fā)展。石英晶體傳感器的前景廣闊。
