V tej objavi na blogu podrobno raziskujemo, kako ultra natančne tehtnice izkoriščajo piezoelektrični učinek za merjenje mase izjemno majhnih snovi, kot so molekule plina ali DNK.
Tehtnice običajno merijo maso z uporabo vzvoda ali z zaznavanjem sprememb električne upornosti. Kako torej ultra precizne tehtnice merijo maso drobnih snovi, kot so molekule plina ali DNK? Da bi odgovorili na to vprašanje, je potrebno razumevanje piezoelektričnega učinka. Piezoelektrični učinek je pojav, pri katerem mehanska deformacija v trdni snovi povzroči električni odziv. Razdeljen je na primarni piezoelektrični učinek in sekundarni piezoelektrični učinek. Primarni piezoelektrični učinek se pojavi, ko mehanska deformacija v materialu ustvari napetost, medtem ko se sekundarni piezoelektrični učinek pojavi, ko uporaba napetosti povzroči mehansko deformacijo. Materiali, ki kažejo oba piezoelektrična učinka, se imenujejo piezoelektrični materiali, pri čemer je kremen primarni uporabljeni material.
Kremen, ki se uporablja kot piezoelektrični material, se razreže in obdeluje v določenih smereh, da se oblikujejo ravne plošče v obliki diska. Nato se na obe strani diska pritrdijo elektrode. Ko se nanj priključi izmenična napetost z izmeničnima (+) in (-) poloma, kremen vibrira. Oscilator iz kremenčevega kristala nastane z usklajevanjem frekvence napetosti z naravno frekvenco kremena, zaradi česar kremen vibrira z veliko amplitudo, zaradi česar je vibracije lažje izmeriti. Naravna frekvenca je inherentna frekvenca vibracij predmeta. Tudi pri piezoelektričnih materialih enake sestave se ta frekvenca spreminja glede na obliko in velikost piezoelektričnega elementa.
Če se katera koli snov oprime kristalnega oscilatorja in s tem poveča njegovo maso, se frekvenca, pri kateri oscilator vibrira na svoji naravni frekvenci, zmanjša. Frekvenca kvarčnega kristalnega oscilatorja je zelo občutljiva že na majhne spremembe mase, kar omogoča merjenje mase drobnih snovi, kot so molekule plina ali DNK. Masna občutljivost oscilatorja je stopnja spremembe frekvence, deljena z izmerjeno maso; masna občutljivost kvarčnega kristalnega oscilatorja je izjemno visoka.
Uporaba principa merjenja mase s kristalnim oscilatorjem omogoča zaznavanje koncentracije določenega plina. Ko kristalni oscilator obdelamo tako, da se nanj oprime določen plin, se ta plin oprime, kar povzroči spremembo mase, ki zmanjša frekvenco oscilatorja. Na določeni točki se frekvenca kristalnega oscilatorja preneha zmanjševati in se stabilizira na konstantni vrednosti. Do te stabilizacije pride, ker se določen plin ne oprime preko določene mejne vrednosti. V mešanici plinov velja, da višja kot je koncentracija določenega plina, nižja je frekvenca, pri kateri se stabilizira. Hitrost, s katero se določen plin oprime kristalnega oscilatorja, zaradi česar se frekvenca stabilizira na konstantni vrednosti, se imenuje odzivni čas. Krajši odzivni čas omogoča hitrejše merjenje koncentracije določenega plina.
Če pa se poleg ciljnega plina primejo tudi drugi plini, je težko natančno izmeriti koncentracijo ciljnega plina. Poleg tega, tudi če se prime samo ciljni plin, njegove koncentracije ni mogoče neposredno določiti. Zato je treba spremembo frekvence kristalnega oscilatorja predhodno izmeriti za različne koncentracije ciljnega plina. Nato je mogoče z merjenjem spremembe frekvence v mešanici plina, kjer koncentracija ciljnega plina ni znana, določiti koncentracijo ciljnega plina. Če stopnjo spremembe frekvence kristalnega oscilatorja delimo s koncentracijo, dobimo občutljivost na koncentracijo.
Meritve s kremenčevimi kristali se lahko uporabljajo ne le v laboratorijih, temveč tudi v različnih industrijskih sektorjih. Na primer, v procesih proizvodnje polprevodnikov se ultra natančne tehtnice uporabljajo za merjenje debeline materialov, nanesenih na substrate, kar omogoča nadzor kakovosti. Poleg tega se na področju biosenzorjev kremenčevi kristali uporabljajo za zaznavanje prisotnosti specifičnih beljakovin ali virusov. Te tehnologije igrajo ključno vlogo na različnih področjih, kot so medicinska diagnostika, spremljanje okolja in varnost hrane.
Končno so potencialne uporabe kvarčnih resonatorjev praktično neomejene. Nedavne raziskave aktivno razvijajo nove merilne metode in senzorje z uporabo kvarčnih resonatorjev. Primeri vključujejo ultra občutljive nanoskalne tehtnice za merjenje mase nanodelcev in visokozmogljive senzorje, ki stabilno delujejo v ekstremnih okoljih. Ti tehnološki napredki bodo v prihodnosti še povečali pomen natančnih meritev z uporabo kvarčnih resonatorjev.
