I dette blogginnlegget utforsker vi i detalj hvordan ultrapresis vekter bruker den piezoelektriske effekten til å måle massen av ekstremt små stoffer som gassmolekyler eller DNA.
Vekter måler vanligvis masse ved hjelp av vektstangprinsippet eller ved å oppdage endringer i elektrisk motstand. Så hvordan måler ultrapresisjonsvekter massen til ørsmå stoffer som gassmolekyler eller DNA? For å svare på dette er det nødvendig med en forståelse av den piezoelektriske effekten. Den piezoelektriske effekten er et fenomen der mekanisk deformasjon i et fast materiale induserer en elektrisk respons. Den er kategorisert i den primære piezoelektriske effekten og den sekundære piezoelektriske effekten. Den primære piezoelektriske effekten oppstår når mekanisk deformasjon i materialet genererer en spenning, mens den sekundære piezoelektriske effekten oppstår når påføring av en spenning forårsaker mekanisk deformasjon. Materialer som viser begge disse piezoelektriske effektene kalles piezoelektriske materialer, med kvarts som det primære materialet som brukes.
Kvartsen som brukes som et piezoelektrisk materiale kuttes og bearbeides i bestemte retninger for å danne flate, skiveformede plater. Elektroder festes deretter til begge sider av skiven. Når en vekslende spenning med vekslende (+) og (-) poler påføres, vibrerer kvartsen. En kvartskrystalloscillator lages ved å matche spenningsfrekvensen med kvartsens egenfrekvens, noe som får kvartsen til å vibrere med en stor amplitude, noe som gjør vibrasjonen lettere å måle. Den naturlige frekvensen er den iboende vibrasjonsfrekvensen til et objekt. Selv for piezoelektriske materialer med samme sammensetning varierer denne frekvensen avhengig av formen og størrelsen på det piezoelektriske elementet.
Hvis et stoff fester seg til en krystalloscillator og øker massen, reduseres frekvensen som oscillatoren vibrerer med ved sin naturlige frekvens. Frekvensen til en kvartskrystalloscillator er svært følsom for selv små endringer i masse, noe som muliggjør måling av massen til små stoffer som gassmolekyler eller DNA. Massefølsomheten til en oscillator er graden av frekvensendring delt på den målte massen; massefølsomheten til en kvartskrystalloscillator er ekstremt høy.
Ved å bruke prinsippet om massemåling med en krystalloscillator kan man detektere konsentrasjonen av en spesifikk gass. Når en krystalloscillator behandles for å la en spesifikk gass feste seg til den, fester gassen seg, noe som forårsaker en masseendring som reduserer oscillatorens frekvens. På et visst punkt slutter krystalloscillatorens frekvens å synke og stabiliserer seg på en konstant verdi. Denne stabiliseringen skjer fordi den spesifikke gassen ikke fester seg utover en viss terskelmengde. I en blandet gass, jo høyere konsentrasjonen av en spesifikk gass er, desto lavere er frekvensen den stabiliserer seg med. Hastigheten som en spesifikk gass fester seg til krystalloscillatoren med, slik at frekvensen stabiliserer seg på en konstant verdi, kalles responstid. En kortere responstid gir raskere måling av den spesifikke gassens konsentrasjon.
Hvis imidlertid andre gasser enn målgassen også fester seg, blir det vanskelig å måle konsentrasjonen av målgassen nøyaktig. Videre, selv om bare målgassen fester seg, kan ikke konsentrasjonen bestemmes direkte. Derfor må frekvensendringen til krystalloscillatoren forhåndsmåles for forskjellige konsentrasjoner av målgassen. Deretter, ved å måle frekvensendringen i en blandet gass der målgasskonsentrasjonen er ukjent, kan konsentrasjonen av målgassen bestemmes. Ved å dele graden av frekvensendring til krystalloscillatoren med konsentrasjonen får man konsentrasjonsfølsomheten.
Målinger ved hjelp av kvartskrystaller kan ikke bare brukes i laboratorier, men også på tvers av ulike industrisektorer. For eksempel brukes ultrapresis vekt i halvlederproduksjonsprosesser for å måle tykkelsen på materialer som er avsatt på substrater, noe som muliggjør kvalitetskontroll. Videre brukes kvartskrystaller innen biosensorfeltet for å oppdage tilstedeværelsen av spesifikke proteiner eller virus. Disse teknologiene spiller avgjørende roller på ulike områder som medisinsk diagnostikk, miljøovervåking og mattrygghet.
Til slutt er de potensielle bruksområdene for kvartsresonatorer praktisk talt ubegrensede. Nyere forskning utvikler aktivt nye målemetoder og sensorer som bruker kvartsresonatorer. Eksempler inkluderer ultrahøyfølsomme nanoskalavekter for måling av nanopartikkelmasser og høyytelsessensorer som fungerer stabilt i ekstreme miljøer. Disse teknologiske fremskrittene vil ytterligere øke viktigheten av presisjonsmåling ved bruk av kvartsresonatorer i fremtiden.
