В тази публикация в блога ще разгледаме подробно как ултрапрецизните везни използват пиезоелектричния ефект, за да измерват масата на изключително малки вещества, като газови молекули или ДНК.
Везните обикновено измерват масата, използвайки принципа на лоста или чрез откриване на промени в електрическото съпротивление. И така, как ултрапрецизните везни измерват масата на миниатюрни вещества като газови молекули или ДНК? За да се отговори на този въпрос, е необходимо разбиране на пиезоелектрическия ефект. Пиезоелектричният ефект е явление, при което механичната деформация в твърд материал предизвиква електрически отговор. Той се категоризира в първичен пиезоелектричен ефект и вторичен пиезоелектричен ефект. Първичният пиезоелектричен ефект възниква, когато механичната деформация в материала генерира напрежение, докато вторичният пиезоелектричен ефект възниква, когато прилагането на напрежение причинява механична деформация. Материалите, проявяващи и двата пиезоелектрични ефекта, се наричат пиезоелектрични материали, като кварцът е основният използван материал.
Кварцът, използван като пиезоелектричен материал, се реже и обработва в специфични посоки, за да се образуват плоски пластини с форма на диск. След това електроди се прикрепят към двете страни на диска. Когато се приложи променливо напрежение с редуващи се (+) и (-) полюси, кварцът вибрира. Кварцов кристален осцилатор се създава чрез съгласуване на честотата на напрежението със собствената честота на кварца, което кара кварца да вибрира с голяма амплитуда, което прави вибрациите по-лесни за измерване. Собствената честота е присъщата честота на вибрациите на обект. Дори за пиезоелектрични материали с един и същ състав, тази честота варира в зависимост от формата и размера на пиезоелектричния елемент.
Ако някое вещество се прилепи към кристален осцилатор, увеличавайки масата му, честотата, с която осцилаторът вибрира на собствената си честота, намалява. Честотата на кварцовия кристален осцилатор е силно чувствителна дори към минимални промени в масата, което позволява измерването на масата на миниатюрни вещества като газови молекули или ДНК. Масовата чувствителност на осцилатора е степента на промяна на честотата, разделена на измерената маса; масовата чувствителност на кварцовия кристален осцилатор е изключително висока.
Прилагането на принципа за измерване на маса с кристален осцилатор позволява откриването на концентрацията на специфичен газ. Когато кристален осцилатор се обработи така, че да позволи на специфичен газ да се прилепи към него, този газ се прикрепя, причинявайки промяна в масата, която намалява честотата на осцилатора. В определен момент честотата на кристалния осцилатор спира да намалява и се стабилизира на постоянна стойност. Тази стабилизация се случва, защото специфичният газ не се прилепва след определено прагово количество. В смесен газ, колкото по-висока е концентрацията на специфичен газ, толкова по-ниска е честотата, при която той се стабилизира. Скоростта, с която специфичен газ се прилепва към кристалния осцилатор, причинявайки стабилизиране на честотата на постоянна стойност, се нарича време за реакция. По-краткото време за реакция позволява по-бързо измерване на концентрацията на специфичния газ.
Ако обаче се прикрепят и други газове, освен целевия газ, става трудно точното измерване на концентрацията на целевия газ. Освен това, дори ако се прикрепи само целевият газ, неговата концентрация не може да бъде директно определена. Следователно, промяната на честотата на кристалния осцилатор трябва да бъде предварително измерена за различни концентрации на целевия газ. Впоследствие, чрез измерване на промяната на честотата в смесен газ, където концентрацията на целевия газ е неизвестна, може да се определи концентрацията на целевия газ. Разделянето на степента на промяна на честотата на кристалния осцилатор на концентрацията дава чувствителността към концентрацията.
Измерванията с помощта на кварцови кристали могат да се прилагат не само в лаборатории, но и в различни промишлени сектори. Например, в процесите на производство на полупроводници се използват ултрапрецизни везни за измерване на дебелината на материалите, отложени върху субстрати, което позволява контрол на качеството. Освен това, в областта на биосензорите, кварцовите кристали се използват за откриване на наличието на специфични протеини или вируси. Тези технологии играят ключова роля в различни области като медицинска диагностика, мониторинг на околната среда и безопасност на храните.
И накрая, потенциалните приложения на кварцовите резонатори са практически неограничени. Последните изследвания активно разработват нови методи за измерване и сензори, използващи кварцови резонатори. Примерите включват ултра-високочувствителни наномащабни везни за измерване на маси на наночастици и високопроизводителни сензори, които работят стабилно в екстремни среди. Тези технологични постижения допълнително ще засилят значението на прецизните измервания с помощта на кварцови резонатори в бъдеще.
