In dit blogbericht gaan we uitgebreid in op de manier waarop uiterst precieze balansen het piëzo-elektrische effect gebruiken om de massa van extreem kleine stoffen, zoals gasmoleculen of DNA, te meten.
Weegschalen meten massa doorgaans met behulp van het hefboomprincipe of door veranderingen in elektrische weerstand te detecteren. Hoe meten ultraprecieze weegschalen de massa van minuscule stoffen zoals gasmoleculen of DNA? Om deze vraag te beantwoorden, is een begrip van het piëzo-elektrische effect noodzakelijk. Het piëzo-elektrische effect is een fenomeen waarbij mechanische vervorming in een vast materiaal een elektrische respons induceert. Het wordt onderverdeeld in het primaire piëzo-elektrische effect en het secundaire piëzo-elektrische effect. Het primaire piëzo-elektrische effect treedt op wanneer mechanische vervorming in het materiaal een spanning genereert, terwijl het secundaire piëzo-elektrische effect optreedt wanneer het aanleggen van een spanning mechanische vervorming veroorzaakt. Materialen die beide piëzo-elektrische effecten vertonen, worden piëzo-elektrische materialen genoemd, waarbij kwarts het primaire materiaal is.
Het kwarts, dat als piëzo-elektrisch materiaal wordt gebruikt, wordt in specifieke richtingen gesneden en bewerkt tot platte, schijfvormige platen. Aan beide zijden van de schijf worden elektroden bevestigd. Wanneer een wisselspanning met afwisselende (+) en (-) polen wordt aangelegd, trilt het kwarts. Een kwartskristaloscillator wordt gecreëerd door de spanningsfrequentie af te stemmen op de natuurlijke frequentie van het kwarts, waardoor het kwarts met een grote amplitude trilt, waardoor de trilling gemakkelijker te meten is. De natuurlijke frequentie is de inherente trillingsfrequentie van een object. Zelfs voor piëzo-elektrische materialen met dezelfde samenstelling varieert deze frequentie afhankelijk van de vorm en grootte van het piëzo-elektrische element.
Als een stof zich aan een kristaloscillator hecht en de massa ervan toeneemt, neemt de frequentie waarmee de oscillator op zijn eigen frequentie trilt af. De frequentie van een kwartskristaloscillator is zeer gevoelig voor zelfs minieme veranderingen in massa, waardoor de massa van minuscule stoffen zoals gasmoleculen of DNA kan worden gemeten. De massagevoeligheid van een oscillator is de mate van frequentieverandering gedeeld door de gemeten massa; de massagevoeligheid van een kwartskristaloscillator is extreem hoog.
Door het principe van massameting toe te passen met een kristaloscillator, kan de concentratie van een specifiek gas worden bepaald. Wanneer een kristaloscillator wordt behandeld om een specifiek gas te laten hechten, hecht dat gas zich, waardoor een massaverandering ontstaat die de frequentie van de oscillator verlaagt. Op een gegeven moment stopt de frequentie van de kristaloscillator met afnemen en stabiliseert deze op een constante waarde. Deze stabilisatie vindt plaats doordat het specifieke gas zich niet boven een bepaalde drempelwaarde hecht. In een gemengd gas geldt: hoe hoger de concentratie van een specifiek gas, hoe lager de frequentie waarbij het stabiliseert. De snelheid waarmee een specifiek gas zich aan de kristaloscillator hecht, waardoor de frequentie zich stabiliseert op een constante waarde, wordt de responstijd genoemd. Een kortere responstijd maakt een snellere meting van de concentratie van het specifieke gas mogelijk.
Als er echter ook andere gassen dan het doelgas aanhechten, wordt het moeilijk om de concentratie van het doelgas nauwkeurig te meten. Bovendien kan de concentratie ervan niet direct worden bepaald, zelfs niet als alleen het doelgas hecht. Daarom moet de frequentieverandering van de kristaloscillator vooraf worden gemeten voor verschillende concentraties van het doelgas. Door vervolgens de frequentieverandering te meten in een gemengd gas waarvan de concentratie van het doelgas onbekend is, kan de concentratie van het doelgas worden bepaald. Door de mate van frequentieverandering van de kristaloscillator te delen door de concentratie, wordt de concentratiegevoeligheid bepaald.
Metingen met kwartskristallen kunnen niet alleen in laboratoria worden toegepast, maar ook in diverse industriële sectoren. Zo worden in halfgeleiderproductieprocessen ultraprecieze weegschalen gebruikt om de dikte te meten van materialen die op substraten worden afgezet, wat kwaliteitscontrole mogelijk maakt. Bovendien worden kwartskristallen in de biosensorsector gebruikt om de aanwezigheid van specifieke eiwitten of virussen te detecteren. Deze technologieën spelen een cruciale rol in diverse gebieden, zoals medische diagnostiek, milieumonitoring en voedselveiligheid.
Ten slotte zijn de potentiële toepassingen van kwartsresonatoren vrijwel onbegrensd. Recent onderzoek richt zich op de ontwikkeling van nieuwe meetmethoden en sensoren met behulp van kwartsresonatoren. Voorbeelden hiervan zijn ultragevoelige nanoschaalbalansen voor het meten van de massa van nanodeeltjes en hoogwaardige sensoren die stabiel werken in extreme omgevingen. Deze technologische ontwikkelingen zullen het belang van nauwkeurige metingen met kwartsresonatoren in de toekomst verder vergroten.
