W tym wpisie na blogu szczegółowo przyjrzymy się, w jaki sposób ultraprecyzyjne wagi wykorzystują efekt piezoelektryczny do pomiaru masy niezwykle małych substancji, takich jak cząsteczki gazu lub DNA.
Wagi zazwyczaj mierzą masę, wykorzystując zasadę dźwigni lub wykrywając zmiany oporu elektrycznego. W jaki sposób więc wagi ultraprecyzyjne mierzą masę drobnych substancji, takich jak cząsteczki gazu czy DNA? Aby odpowiedzieć na to pytanie, konieczne jest zrozumienie zjawiska piezoelektrycznego. Zjawisko piezoelektryczne to zjawisko, w którym odkształcenie mechaniczne materiału stałego wywołuje reakcję elektryczną. Dzieli się je na pierwotne i wtórne. Pierwotne zjawisko piezoelektryczne występuje, gdy odkształcenie mechaniczne materiału generuje napięcie, natomiast wtórne, gdy przyłożenie napięcia powoduje odkształcenie mechaniczne. Materiały wykazujące oba te zjawiska piezoelektryczne nazywane są materiałami piezoelektrycznymi, a kwarc jest materiałem podstawowym.
Kwarc używany jako materiał piezoelektryczny jest cięty i przetwarzany w określonych kierunkach, tworząc płaskie płytki w kształcie dysku. Następnie do obu stron dysku mocuje się elektrody. Po przyłożeniu napięcia przemiennego z biegunami (+) i (-) kwarc wibruje. Oscylator kwarcowy powstaje poprzez dopasowanie częstotliwości napięcia do częstotliwości drgań własnych kwarcu, co powoduje drgania kwarcu z dużą amplitudą, ułatwiając pomiar drgań. Częstotliwość drgań własnych to naturalna częstotliwość drgań obiektu. Nawet w przypadku materiałów piezoelektrycznych o tym samym składzie, częstotliwość ta zmienia się w zależności od kształtu i rozmiaru elementu piezoelektrycznego.
Jeśli jakakolwiek substancja przylega do oscylatora kwarcowego, zwiększając jego masę, częstotliwość drgań oscylatora z jego własną częstotliwością maleje. Częstotliwość oscylatora kwarcowego jest bardzo czuła nawet na drobne zmiany masy, umożliwiając pomiar masy drobnych substancji, takich jak cząsteczki gazu czy DNA. Czułość masowa oscylatora to stopień zmiany częstotliwości podzielony przez mierzoną masę; czułość masowa oscylatora kwarcowego jest niezwykle wysoka.
Zastosowanie zasady pomiaru masy za pomocą oscylatora kwarcowego umożliwia pomiar stężenia określonego gazu. Gdy oscylator kwarcowy zostanie poddany obróbce umożliwiającej przylgnięcie określonego gazu, gaz ten przyłącza się, powodując zmianę masy, która zmniejsza częstotliwość oscylatora. W pewnym momencie częstotliwość oscylatora kwarcowego przestaje spadać i stabilizuje się na stałym poziomie. Stabilizacja ta następuje, ponieważ określony gaz nie przylega powyżej określonej wartości progowej. W gazie mieszanym, im wyższe stężenie określonego gazu, tym niższa częstotliwość, przy której się stabilizuje. Prędkość, z jaką określony gaz przylega do oscylatora kwarcowego, powodując stabilizację częstotliwości na stałym poziomie, nazywa się czasem reakcji. Krótszy czas reakcji pozwala na szybszy pomiar stężenia określonego gazu.
Jednakże, jeśli przylegają również gazy inne niż gaz docelowy, dokładny pomiar stężenia gazu docelowego staje się trudny. Co więcej, nawet jeśli przylega tylko gaz docelowy, nie można bezpośrednio określić jego stężenia. Dlatego zmiana częstotliwości oscylatora kwarcowego musi zostać wstępnie zmierzona dla różnych stężeń gazu docelowego. Następnie, mierząc zmianę częstotliwości w mieszance gazowej, w której stężenie gazu docelowego jest nieznane, można określić stężenie gazu docelowego. Dzieląc stopień zmiany częstotliwości oscylatora kwarcowego przez stężenie, uzyskuje się czułość na stężenie.
Pomiary z wykorzystaniem kryształów kwarcu znajdują zastosowanie nie tylko w laboratoriach, ale także w różnych sektorach przemysłu. Na przykład, w procesach produkcji półprzewodników, ultraprecyzyjne skale służą do pomiaru grubości materiałów osadzanych na podłożach, umożliwiając kontrolę jakości. Ponadto, w dziedzinie biosensorów, kryształy kwarcu służą do wykrywania obecności określonych białek lub wirusów. Technologie te odgrywają kluczową rolę w różnych obszarach, takich jak diagnostyka medyczna, monitoring środowiska i bezpieczeństwo żywności.
Wreszcie, potencjalne zastosowania rezonatorów kwarcowych są praktycznie nieograniczone. Najnowsze badania aktywnie rozwijają nowe metody pomiarowe i czujniki wykorzystujące rezonatory kwarcowe. Przykładami są wagi nanoskalowe o ultrawysokiej czułości do pomiaru mas nanocząstek oraz wysokowydajne czujniki, które działają stabilnie w ekstremalnych warunkach. Te postępy technologiczne jeszcze bardziej zwiększą znaczenie precyzyjnych pomiarów z wykorzystaniem rezonatorów kwarcowych w przyszłości.
