V tomto blogovém příspěvku podrobně prozkoumáme, jak ultra přesné váhy využívají piezoelektrický jev k měření hmotnosti extrémně malých látek, jako jsou molekuly plynu nebo DNA.
Váhy obvykle měří hmotnost pomocí pákového principu nebo detekcí změn elektrického odporu. Jak tedy ultrapřesné váhy měří hmotnost nepatrných látek, jako jsou molekuly plynu nebo DNA? Abychom na to mohli odpovědět, je nutné porozumět piezoelektrickému jevu. Piezoelektrický jev je jev, při kterém mechanická deformace v pevném materiálu vyvolává elektrickou odezvu. Dělí se na primární piezoelektrický jev a sekundární piezoelektrický jev. Primární piezoelektrický jev nastává, když mechanická deformace v materiálu generuje napětí, zatímco sekundární piezoelektrický jev nastává, když aplikace napětí způsobí mechanickou deformaci. Materiály vykazující oba tyto piezoelektrické jevy se nazývají piezoelektrické materiály, přičemž primárním použitým materiálem je křemen.
Křemen používaný jako piezoelektrický materiál se řeže a zpracovává ve specifických směrech za vzniku plochých destiček ve tvaru disku. Na obě strany disku se poté připevní elektrody. Když se na něj přivede střídavé napětí se střídavými póly (+) a (-), křemen vibruje. Krystalový oscilátor z křemene vzniká přizpůsobením frekvence napětí vlastní frekvenci křemene, což způsobuje, že křemen vibruje s velkou amplitudou, což usnadňuje měření vibrací. Vlastní frekvence je inherentní frekvence vibrací objektu. I u piezoelektrických materiálů stejného složení se tato frekvence mění v závislosti na tvaru a velikosti piezoelektrického prvku.
Pokud se na krystalový oscilátor přichytí jakákoli látka, čímž se zvětší jeho hmotnost, frekvence, s níž oscilátor vibruje na své vlastní frekvenci, se snižuje. Frekvence křemenného krystalového oscilátoru je vysoce citlivá i na nepatrné změny hmotnosti, což umožňuje měření hmotnosti nepatrných látek, jako jsou molekuly plynu nebo DNA. Hmotnostní citlivost oscilátoru je stupeň změny frekvence dělený naměřenou hmotností; hmotnostní citlivost křemenného krystalového oscilátoru je extrémně vysoká.
Aplikace principu měření hmotnosti pomocí krystalového oscilátoru umožňuje detekci koncentrace specifického plynu. Když je krystalový oscilátor ošetřen tak, aby na něj mohl přilnout specifický plyn, tento plyn se přichytí, což způsobí změnu hmotnosti, která sníží frekvenci oscilátoru. V určitém bodě se frekvence krystalového oscilátoru přestane snižovat a stabilizuje se na konstantní hodnotě. K této stabilizaci dochází, protože specifický plyn nepřilne nad určitou prahovou hodnotu. Ve směsi plynů platí, že čím vyšší je koncentrace specifického plynu, tím nižší je frekvence, na které se stabilizuje. Rychlost, s jakou specifický plyn přilne ke krystalovému oscilátoru, což způsobí stabilizaci frekvence na konstantní hodnotě, se nazývá doba odezvy. Kratší doba odezvy umožňuje rychlejší měření koncentrace specifického plynu.
Pokud se však kromě cílového plynu přichytí i jiné plyny, je obtížné přesně měřit koncentraci cílového plynu. Navíc, i když se přichytí pouze cílový plyn, nelze jeho koncentraci přímo určit. Proto je nutné předem změřit změnu frekvence krystalového oscilátoru pro různé koncentrace cílového plynu. Následně lze měřením změny frekvence ve směsi plynů, kde koncentrace cílového plynu není známa, určit koncentraci cílového plynu. Vydělením stupně změny frekvence krystalového oscilátoru koncentrací získáme citlivost na koncentraci.
Měření pomocí křemenných krystalů lze aplikovat nejen v laboratořích, ale také v různých průmyslových odvětvích. Například v procesech výroby polovodičů se používají ultrapřesné váhy k měření tloušťky materiálů nanesených na substráty, což umožňuje kontrolu kvality. V oblasti biosenzorů se křemenné krystaly dále používají k detekci přítomnosti specifických proteinů nebo virů. Tyto technologie hrají klíčovou roli v různých oblastech, jako je lékařská diagnostika, monitorování životního prostředí a bezpečnost potravin.
Potenciální využití křemenných rezonátorů je prakticky neomezené. Nedávný výzkum aktivně vyvíjí nové měřicí metody a senzory využívající křemenné rezonátory. Mezi příklady patří ultra citlivé nanoměřítkové váhy pro měření hmotností nanočástic a vysoce výkonné senzory, které stabilně fungují v extrémních podmínkách. Tyto technologické pokroky v budoucnu dále zvýší význam přesného měření pomocí křemenných rezonátorů.
