石英晶体传感器（2003年）

简介：
石英晶体传感器是一种利用石英晶体振荡器原理制成的高精度测量仪器，广泛应用于电子、生物医学和环保监测等领域。 石英晶体传感器利用了石英晶体的压电效应来检测并转换物理量变化为电信号。该类型的传感器主要由石英晶片、上下表面电极以及支架等部分构成，具有品质因数高、频率稳定性好、重复性佳及无漂移等特点，在科学实验与生产过程中被广泛应用。 这种传感器的应用领域非常广泛，包括温度测量、应力检测、微质量分析和声压测定等多个方面。其工作原理基于压电效应：在外电路作用下石英晶体产生机械振动，并将其转换为电信号，使物理量变化直接转化为频率的变化，即输出信号的频率改变。这种信号传输方便且抗干扰能力强，可以实现远程测量与控制并容易地连接数字式仪器和计算机。 从结构上看，石英晶体谐振器主要由振子、电极表面以及周围介质构成。其中，振子包括石英晶片及其上下的电极部分。在温度敏感传感器中，温度变化会使得石英晶体的密度、厚度及弹性系数等参数发生变化，导致其振动频率改变；通过选择具有零一阶温度系数特性的AT或BT型切割方式可以最小化这种影响。 对于应力传感器而言，在外部机械力作用下振子会发生变形，并在输出端产生电压变化。此时谐振器的振动频率也会因为施加的应力而有所变动。石英晶体传感器中的四个主要元件包括：晶片、电极表面以及内部结构和周围介质，这些部分之间相互作用导致幅频特性发生变化，从而实现对物理量的有效测量。 在质量敏感的应用场景中，当表面连接物的质量增加时，振荡频率会相应地下降。这是因为石英晶体谐振器的振动频率与晶片的有效质量成反比；因此，在厚度剪切振动类型的传感器里这种关系尤为显著。 总之，由于其独特的物理特性和工作原理，石英晶体传感器在多个领域内得到了重要应用，并且具备高稳定性和可靠性等优点。尽管如此，它也存在一些局限性如对温度变化敏感等问题；科研人员通过优化晶片切割方式和增加温度补偿电路等方式克服了这些限制，进一步提升了其性能并扩大了应用场景范围。