I dette blogindlæg undersøger vi i detaljer, hvordan ultrapræcise vægte bruger den piezoelektriske effekt til at måle massen af ekstremt små stoffer som gasmolekyler eller DNA.
Vægte måler typisk masse ved hjælp af vægtstangsprincippet eller ved at detektere ændringer i elektrisk modstand. Så hvordan måler ultrapræcisionsvægte massen af bittesmå stoffer som gasmolekyler eller DNA? For at besvare dette er det nødvendigt med en forståelse af den piezoelektriske effekt. Den piezoelektriske effekt er et fænomen, hvor mekanisk deformation i et fast materiale inducerer en elektrisk reaktion. Den er kategoriseret i den primære piezoelektriske effekt og den sekundære piezoelektriske effekt. Den primære piezoelektriske effekt opstår, når mekanisk deformation i materialet genererer en spænding, mens den sekundære piezoelektriske effekt opstår, når påføring af en spænding forårsager mekanisk deformation. Materialer, der udviser begge disse piezoelektriske effekter, kaldes piezoelektriske materialer, hvor kvarts er det primære anvendte materiale.
Kvarts, der bruges som et piezoelektrisk materiale, skæres og bearbejdes i bestemte retninger for at danne flade, skiveformede plader. Elektroder fastgøres derefter til begge sider af skiven. Når en vekslende spænding med skiftende (+) og (-) poler påføres, vibrerer kvarts. En kvartskrystaloscillator skabes ved at matche spændingsfrekvensen med kvartsens egenfrekvens, hvilket får kvarts til at vibrere med en stor amplitude, hvilket gør vibrationen lettere at måle. Den naturlige frekvens er den iboende vibrationsfrekvens for et objekt. Selv for piezoelektriske materialer med samme sammensætning varierer denne frekvens afhængigt af formen og størrelsen af det piezoelektriske element.
Hvis et stof klæber til en krystaloscillator og øger dets masse, falder den frekvens, hvormed oscillatoren vibrerer ved sin naturlige frekvens. Frekvensen af en kvartskrystaloscillator er meget følsom over for selv små ændringer i masse, hvilket muliggør måling af massen af bitte stoffer som gasmolekyler eller DNA. Massefølsomheden af en oscillator er graden af frekvensændring divideret med den målte masse; massefølsomheden af en kvartskrystaloscillator er ekstremt høj.
Anvendelse af princippet om massemåling med en krystaloscillator muliggør detektion af koncentrationen af en specifik gas. Når en krystaloscillator behandles for at tillade en specifik gas at hæfte sig til den, hæfter gassen sig, hvilket forårsager en masseændring, der reducerer oscillatorens frekvens. På et bestemt punkt holder krystaloscillatorens frekvens op med at falde og stabiliserer sig ved en konstant værdi. Denne stabilisering sker, fordi den specifikke gas ikke hæfter sig ud over en bestemt tærskelværdi. I en blandet gas gælder det, at jo højere koncentrationen af en specifik gas er, desto lavere er frekvensen, hvormed den stabiliseres. Den hastighed, hvormed en specifik gas hæfter sig til krystaloscillatoren, hvilket får frekvensen til at stabilisere sig ved en konstant værdi, kaldes responstiden. En kortere responstid muliggør hurtigere måling af den specifikke gass koncentration.
Hvis andre gasser end målgassen også hæfter sig til, bliver det imidlertid vanskeligt at måle målgassens koncentration nøjagtigt. Desuden kan dens koncentration ikke bestemmes direkte, selvom kun målgassen hæfter sig til den. Derfor skal krystaloscillatorens frekvensændring måles på forhånd for forskellige koncentrationer af målgassen. Ved at måle frekvensændringen i en blandet gas, hvor målgassens koncentration er ukendt, kan koncentrationen af målgassen bestemmes. Ved at dividere graden af krystaloscillatorens frekvensændring med koncentrationen får man følsomheden over for koncentration.
Målinger ved hjælp af kvartskrystaller kan ikke kun anvendes i laboratorier, men også på tværs af forskellige industrisektorer. For eksempel anvendes ultrapræcise skalaer i halvlederproduktionsprocesser til at måle tykkelsen af materialer, der er afsat på substrater, hvilket muliggør kvalitetskontrol. Desuden anvendes kvartskrystaller inden for biosensorfeltet til at detektere tilstedeværelsen af specifikke proteiner eller vira. Disse teknologier spiller en afgørende rolle inden for forskellige områder såsom medicinsk diagnostik, miljøovervågning og fødevaresikkerhed.
Endelig er de potentielle anvendelser af kvartsresonatorer praktisk talt ubegrænsede. Nyere forskning udvikler aktivt nye målemetoder og sensorer, der bruger kvartsresonatorer. Eksempler omfatter ultrafølsomme nanoskalavægte til måling af nanopartikelmasser og højtydende sensorer, der fungerer stabilt i ekstreme miljøer. Disse teknologiske fremskridt vil yderligere øge vigtigheden af præcisionsmåling ved hjælp af kvartsresonatorer i fremtiden.
