引言
凡是把非電量轉換為電量的裝置均稱為傳感器，它是實現信息檢測、轉換、控製和傳輸的元器件。石英晶體傳感器按用途
、結構
、形狀等大體可分為機械傳感器
、通用傳感器、化學傳感器以及應用於DNA檢測的生物傳感器，而石英壓力溫度傳感器是一種典型的機械通用型傳感器。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路等組成。
　　
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矽，其密度為2.65×103kg/m3，莫氏硬度為7，熔點高達1750℃
，nanrongyushui，changqiwendingxingnenghao，shiyingjingtijuyoujiaogaodejidianouhexishu，xianxingfanweikuan，zhongfujingdugao，zhihouxiao，wureshidianxiaoying，dongtaitexingyouliang
，zhendongpinlvwending
，shiqitacailiaonanyidaitide。
　　 
圖1    石英晶體傳感器的原理框圖 
   
根據石英晶體的壓電效應
、壓電逆效應及對某些物理量和化學量的變化會引起其頻率和Q值（或等效電阻）發生變化的原理而製成的石英傳感器，具有精度高、靈敏度好
、測量範圍寬
、反應迅速、數字輸出等獨特的優勢。由於晶體是頻率控製元件，本身就能達到數字化（以頻率的方式輸出），dangjueduipinpianyubeicehanliangchengxianxingguanxishi，qishuzichulijijiandanyoufangbian
，qieshuchushuziliangwendingkekao

，yiyujisuanjijiekou，youliyuerciyibiaodeshuzihua。shuziliangyumoniliangxiangbi
，juyoukangganraoxingqiang，shiyiyuyuanjulichuanshu，xiaochulemonishuzizhuanhuanzheyifuzahuanjiejiqizaochengdewucha。youyushiyingjingtihaijuyouduanwenpinlvyuchangwenpinlvdeyouliangtedian，chuanganqidefenbianlvketigaojigeshuliangji，jianshaolechuanganqidexiaozhuncishu。
　　
石英晶體機械傳感器
石英晶體機械傳感器主要用於測量位移、速度、力、彈性、重量等，較有代表性的傳感器包括石英晶體測力計、石英晶體壓力計、石英晶體加速度計
、石英諧振式重力儀
、石英差頻重力儀等。

a石英晶體測力計
genjuyadianxiaoyingyuanlizhizaodeshiyingjingticeliji，yujiechubiaomiandemianjidaxiaowuguan，dangshiyingjingtishoudaolidezuoyongshihuichanshengjixiexingbian，zaiqibiaomianxingchengshufudianhe，dianheliangdedaxiaoyuzuoyonglichengzhengbi，gucechuqibiaomiandianheliangjiukexianshichuzuoyongli。dabufenshiyingjingticelijijuncaiyongyadianxishujiaodadeX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，FX為沿晶體X方向施加的壓力，qX為垂直於X軸平麵上的電荷。從此式可見，配以適當的電荷放大器就可以測出作用力。
　　
石英晶體測力計的結構多種多樣
，目前研製的環形石英晶體測力計由兩個石英晶片、兩塊環形石英質量塊組成
，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

，測力範圍為100kg～105kg。測力計主要應用於測量機床的切削力、機械工具上的實際應力
、槍炮的後座力、發射火箭的推力、纜車報警裝置等，例如上海測試研究所研製的測力墊圈（測力範圍小到100N左右）
、瑞士生產的9257A型測力平台等。

b 石英晶體壓力計
石英晶體壓力計亦稱石英晶體壓力傳感器，它是依據壓電效應原理（利用外界壓力在石英晶體表麵形成電荷，再實現電荷放大）或利用石英晶體的頻率隨外力的改變而改變的特性製成的。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為晶片所承受的外載
，Q為總電荷
，dmj為壓電常數。力頻特性的理論表達式為： 

 
式中，F為力，為晶片直徑，t為晶體厚度;No為頻率常數，kf為力頻係數。通常采用的晶體切型為AT、BT和旋轉X切。這種傳感器大部分為膜片式結構，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。
　　
石英晶體壓力計主要應用於氣象、海洋潮汐和海嘯預警
、海洋圖形
、噴氣發動機等的測量。美國惠普公司生產的2811B型壓力計的靈敏度為105Hz/6.9kPa
，量程為0～82.7MPa

，工作溫度範圍為0℃～150℃，壓力標定範圍為1.4MPa～75.9MPa,重複性為±2.76kPa，準確度為±0.025％（溫度變化小於1℃）。瑞士奇石樂公司生產的測量汽缸內壓力的石英壓力傳感器
，測量的壓力上限可達300MPa～400MPa。
　
c石英晶體加速度計
依據諧振頻率與慣性力關係原理製造的石英晶體加速度計，靈敏度公式為SW=SF•m，式中，m為質量（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(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)等(deng)特(te)點(dian)，是(shi)測(ce)量(liang)振(zhen)動(dong)與(yu)衝(chong)擊(ji)的(de)一(yi)種(zhong)理(li)想(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)。石(shi)英(ying)加(jia)速(su)度(du)計(ji)一(yi)般(ban)分(fen)為(wei)線(xian)性(xing)加(jia)速(su)度(du)計(ji)和(he)振(zhen)動(dong)衝(chong)擊(ji)加(jia)速(su)度(du)計(ji)
，還(hai)有(you)一(yi)種(zhong)伺(si)服(fu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)是(shi)利(li)用(yong)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)的(de)機(ji)械(xie)特(te)性(xing)而(er)不(bu)是(shi)壓(ya)電(dian)特(te)性(xing)製(zhi)成(cheng)的(de)一(yi)種(zhong)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。
　　
目前研製的石英晶體加速度計包括壓縮式、懸臂式和膜合式等。晶體密封在充入幹燥氮氣的膜盒內

，膜盒的活動端加在晶體的自由端上
，外加負載，成為膜合式。
　　
石英晶體加速度計用於測量導彈、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和控製等。典型的石英晶體加速度計的靈敏度約為200Hz/G
，分辨率優於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zai一yi個ge巨ju大da重zhong物wu和he測ce重zhong錘chui之zhi間jian放fang一yi個ge石shi英ying晶jing體ti，從cong而er改gai變bian其qi振zhen子zi的de諧xie振zhen頻pin率lv

，通tong過guo測ce量liang頻pin率lv就jiu可ke以yi實shi現xian對dui重zhong力li的de測ce量liang
，主zhu要yao應ying用yong於yu海hai洋yang考kao察cha、地質調查、石油勘探等，絕對誤差為±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，也是基於測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數器等組成。石英晶體的頻率為5MHz,絕對誤差為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於測量溫度、濕度、熱量、磁性、顏色等，較有代表性的有石英晶體溫度計

、石英晶體濕度計等。
　　
a石英晶體溫度計
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，使係數b和c接近於零
，可提高頻率溫度的線性度。石英晶體溫度計就是利用石英晶體的頻率溫度特性原理製成的。最先采用的為＋5°Y切型，後來美國發明了溫度特性極好的LC切型，日本發明了NL切型
，東洋通信研製的－31.5°Y切型的詳情見表1。

表1   幾種石英晶體溫度計的性能

　　
石英晶體溫度傳感器主要用於工業、農業、軍事、科學、環境等領域的測量，國內石英晶體溫度計的生產企業主要有上海測試研究所等。
　　
b 石英晶體濕度傳感器　　 
shiyingjingtishiduchuanganqishigenjushiyingjingtidexiezhenpinlvsuishidudedaxiaoerbianhuadeyuanlizhichengde。shiyingjingtijueduishiduchuanganqizhuyaoyongyujianceqixiangzhongweiliangshuidehanliang，ganshiyuanliweiweikongwulixifu

，zhuanhuanyinzi,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，感濕膜麵積愈大，靈敏度愈高
，平均孔徑約為1000?，單位為10－6。
　　
石英晶體相對濕度傳感器主要用於檢測氣相在環境濕度下的飽和度的百分比。例如將磺酸共聚物塗敷在頻率為10MHz、尺寸為6mm×1.5mm的AT切長方形片子上，麵積為3mm2，靈敏度為－7.7Hz/mg。

石英晶體化學傳感器
石英晶體化學傳感器主要用於測量質量
、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
這種傳感器是根據石英晶體的諧振頻率隨被檢測物體密度的大小而變化（低氣壓時空氣密度比大氣密度低一個數量級以上）的原理製成的。目前研製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，測量範圍為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(gen)據(ju)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)的(de)物(wu)理(li)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)和(he)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)原(yuan)理(li)製(zhi)成(cheng)的(de)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)式(shi)水(shui)分(fen)儀(yi)，其(qi)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)與(yu)感(gan)濕(shi)膜(mo)的(de)吸(xi)附(fu)重(zhong)量(liang)成(cheng)反(fan)比(bi)。石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)的(de)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua)量(liang)Δf=－2.3×106f2ΔM/A,式中，ΔM為薄膜感應到水分的重量，f為石英晶體的頻率，A為薄膜麵積。根據重差ΔM和頻差Δf設計的數模測量電路
，可用數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，電極上再塗敷一層感濕膜。日本研製的該種水分儀的型號為MAH50、MAH50D
，主要用於水溶雜質的分析。
　　
c石英晶體氣味鑒別儀
根gen據ju石shi英ying晶jing體ti壓ya電dian效xiao應ying原yuan理li研yan製zhi的de氣qi味wei鑒jian別bie儀yi，是shi一yi種zhong模mo擬ni人ren的de嗅xiu覺jiao功gong能neng的de儀yi器qi。主zhu要yao由you石shi英ying晶jing體ti與yu類lei脂zhi雙shuang分fen子zi膜mo組zu成cheng
，改gai變bian類lei脂zhi膜mo的de分fen子zi結jie構gou
，就jiu可ke判pan別bie出chu相xiang應ying的de香xiang、苦、臭等氣味的物質。例如日本研製的酒味傳感器，被覆6個不同的敏感膜
，輸出6個不同的頻率變化量

，進入神經網絡微機辨別係統後就可對其辨別，測試出酒的濃度。一般采用9MHzAT型切晶體
，在電極膜上塗敷合成類脂膜。
　
d石英晶體濃度傳感器
利用石英晶體的微天平效應原理，在石英晶體的表麵塗敷一層化學物質，化學物質將大氣中的NH3、H2S、HCl、NO2
、CO2、CO
、H2等吸附後，改變了薄膜質量，即改變了石英晶體的質量負荷，從而改變了石英晶體的頻率，產生絕對頻偏。 
   
一般采用圓形AT切型或BT切型石英晶片
，這種切型對表麵負荷的效果明顯，例如可檢測空氣中10－6～10－9量級的汞傳感器
，其汞分子對金電極有巨大的吸附力
，而其它物質卻有良好的化學穩定性，吸附麵積為0.5cm2。現在研製成功的有汞測度儀、汞汽監控係統
、CO傳感器、氣體成分分析儀等。
　　
石英壓力溫度傳感器
石shi英ying壓ya力li溫wen度du傳chuan感gan器qi是shi機ji械xie傳chuan感gan器qi與yu通tong用yong傳chuan感gan器qi有you機ji結jie合he的de一yi種zhong通tong用yong型xing機ji械xie傳chuan感gan器qi。石shi英ying晶jing體ti通tong過guo片pian子zi兩liang端duan的de搭da橋qiao與yu圓yuan管guan表biao麵mian相xiang連lian
，在zai端duan蓋gai上shang有you兩liang個ge備bei有you金jin屬shu電dian極ji的de舌she片pian，兩liang舌she片pian緊jin挨ai石shi英ying晶jing體ti的de表biao麵mian，圓yuan管guan內nei充chong惰duo性xing氣qi體ti，石shi英ying晶jing體ti為wei柱zhu形xing曲qu麵mian。一yi般ban采cai用yongSC切型，其C模的檢測壓力為616.89kg，力頻靈敏度為66.47Hz/kg
，分辨率為0.015kg/Hz，測溫範圍為0℃～200℃，其B模的頻率溫度係數為－25×10－6/℃，分辨率為0.007℃/Hz。
　　
當SC切被激勵起振後，B、C模(mo)分(fen)別(bie)通(tong)過(guo)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)到(dao)濾(lv)波(bo)器(qi)

，並(bing)在(zai)脈(mai)衝(chong)電(dian)路(lu)中(zhong)形(xing)成(cheng)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)，彙(hui)入(ru)微(wei)處(chu)理(li)機(ji)後(hou)顯(xian)示(shi)出(chu)壓(ya)力(li)和(he)溫(wen)度(du)的(de)數(shu)字(zi)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)流(liu)體(ti)中(zhong)的(de)壓(ya)力(li)和(he)溫(wen)度(du)。

石英晶體DNA生物傳感器
根據石英晶體表麵微小的壓力變化都會引起其諧振頻率變化的原理，可將石英晶體作為換能器
，在石英晶體電極區的表麵固定ssDNA探針，並將其浸入含有被測目標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麵上的質量成反比

，通過檢測頻率就可以達到檢測DNA的目的。

結束語
隨著我國加入WTO，yongweijihediannaokongzhideyiqishebeijinyibudeyiyingyonghepuji
，yiyujisuanjijiekoudeshuzishuchuxingshiyingjingtichuanganqibijiangdedaoguangfanyingyonghefazhan。suizheshiyingjingtipianshihuashuipingdebuduantigao，shiyingjingtichuanganqijiangchaozhepianshihua、微型化的方向發展。石英晶體傳感器的前景廣闊。