ANSYS石英晶体微天平的不对称电极结构设计与优化(2)
QCM具有非常广泛的应用前景。起初，QCM主要是用来检测均匀薄膜的微小质量，随着科学技术的不断进步，对QCM的研究不断深入，在某些领域对测量精度的要求也越来越高，而QCM在这方面表现了其独特的优势，因此在这些领域(如生物、化学、医学领域等)QCM有着良好的应用前景。另外，QCM还可以与其它技术结合，获取双方的优势，如AFM与EDX技术，XPS与SIMS技术和椭圆偏振光技术 。同时，QCM还可以应用于其他学科，例如与电化学技术结合发展出的电化学石英晶体微天平(EQCM)，常用于电沉积、金电极腐蚀、耗尽层内溶液粘度效应等方面的研究；结合能量耗散发展起来的耗散型石英晶体微天平(QCM-D)可以同时测量待测物质的质量、粘度、剪切模量等相关参数，使得表面吸附与解吸、表面反应、本体表征等方面的研究达到一个新高度 。随着计算机技术以及生物技术的快速发展，QCM也被应用于更多的新型领域中，例如用于微量物质的检测与作用，以生物组织作为分子识别元件，研究微量元素的作用，远程通信、高速计算机以及航天领域，利用QCM对太空尘埃的进行检测等。
与其他传感器相比较，QCM具有纳克级质量响应灵敏度，且在实时跟踪、检测微观过程的变化、获取丰富的在线信息能力等方面的优势是无可比拟的，其显著优点如下 ：
(1) 实时性：能够对生物大分子的反应动力过程进行实时监测，置有QCM的检测系统每秒可以收集多个数据点，当发生变化时可以直接观测，能够通过QCM实时提供待测物质结构信息。
(2) 结构简单易加工：石英在任何物质中的可溶性非常低，除了氟化物的腐蚀外，在正常条件下坚硬不易碎，同时QCM设备简单，成本低廉，电极可以再生和反复使用。
(3) 高效性：一般完成一个基本测试用时在15min以内且测量精度可达纳克级。
因此，世界各地的研究机构都非常重视石英晶体微天平的研究工作，并努力的将QCM向着小型化、低噪声、高稳定和高频化发展 。其中，对QCM的结构研究是重点，如何通过改进QCM的结构得到更精确的信号来传递给检测电路成为首要解决的问题。传统的解析方法已不能进行精确的研究，有限元法成为分析石英晶体微天平的有力工具。随着通用有限元软件诸如ANSYS、ABAQUS、COSMOL的日渐成熟以及计算机性能的提高，这些功能强大的有限元分析工具逐渐被用于QCM的结构设计。
对QCM的结构研究主要集中在对石英晶片上的电极结构进行合理设计，现阶段对QCM电极结构的研究还不成熟，还有许多需要解决的问题，如振动耦合导致的测量精度降低、电极结构对夹具设计的影响、成本等，这些问题都制约着石英晶体传感器的发展 。特别是振动耦合，石英晶片两面电极的不同尺寸、不同分布均可引起不同的振动耦合情况，而振动耦合更是影响测量灵敏度的主要原因，所以通过设计较优电极结构来降低振动耦合提高灵敏度是QCM需要解决的一个关键问题，目前通过减小振动耦合来提高灵敏度的电极设计都需要经历一个根据以往经验去试凑的过程，来得到更好更准确的结论。
综上所述，现阶段的QCM研究有着相当好的发展前景和机遇，特别是近几年，QCM引起了人们的广泛关注，QCM在各个领域的应用研究成果也逐渐增多，但目前有关石英晶体传感器电极结构的设计尚处于实验室阶段，在商业上的应用距离普及还有一定差距。在这样的背景下进行QCM电极结构的研究非常重要，对电极结构提出有效的设计方法具有减小振动耦合、提高测量灵敏度、降低生产成本等科研意义。
1.2 QCM的应用
石英晶体微天平是一种通过测量石英晶体的谐振频率变化量来测量负荷质量的传感器，其具有精度高、结构简单、成本低等优点，因此被广泛适用于医药、化工、材料等各个领域 。QCM现已被开发出各式各样的传感器，来代替人类进行某些难以从事的工作，如生物、灰尘、免疫传感器。作为应用了压电效应的装置，QCM还可以在极端条件下使用，这不仅促进了相关领域的发展，也拓宽了科研工作者的研究领域，应用前景一片光明。