Mikrobalance i kvartskrystal

Quartz crystal microbalances ( English Quartz Crystal Microbalance , QCM) er mikrovægte med en sensor baseret på en kvartsoscillator . Den piezoelektriske egenskab af kvarts bruges her. Kvartsoscillatorens resonansfrekvens afhænger af massen af ​​materialet adsorberet på overfladen. I modsætning til hvad navnet antyder, bruges QCM-baserede systemer ikke kun som skalaer eller mikrobalancer, men fungerer også som sensorer til andre målte variabler.

Kvartsoscillator af en QCM fugtighedsføler med guldelektroder (venstre: set forfra, højre: set bagfra)

Generel

Krystaller tilhører familien af krystaller med en piezoelektrisk effekt. Piezoelektriske effekter anvendes til applikationer inden for sensorer , aktuatorer , frekvensgenerering , motorer osv. Der anvendes et forhold mellem elektrisk spænding og mekanisk deformation af kvartset, hvilket også udleder dets egnethed som et oscillerende kvarts. I et feedback-kredsløb er det det meget præcise frekvensbestemmende element. Kredsløbet, hvor sensoren er installeret (interface), kan implementeres ved hjælp af et oscillatorkredsløb, netværksanalyse eller stød excitation. Opløsninger på op til 1 Hz er mulige for resonansfrekvenser i området 4 til 6 MHz.

Frekvensen af ​​kvartsens svingning afhænger blandt andet af krystallens tykkelse. I uforstyrret tilstand er der en frekvens, der er gensidig med kvartsets tykkelse. Hvis man nu efterlader alle andre ydre påvirkninger konstant og ændrer kvartsets tykkelse (ved at anvende en film), korrelerer denne ændring direkte med en ændring i frekvensen. Enkelt sagt kan ændringen i frekvens kvantificeres nøjagtigt og bruges til at bestemme den nøjagtige masse (Sauerbrey-ligning). Sauerbrey-ligningen giver dog kun gode resultater for det specielle tilfælde af et tyndt og stift lag. En mere detaljeret teori er den såkaldte "transmissionslinjemodel".

Hvis kvartsets tykkelse holdes konstant, kan kvartskrystalets mekaniske naturlige frekvens også påvirkes af temperatursvingninger, luftfugtighedsudsving og deformation (ekstern kraft / restspændinger).

Ved at bestemme massen og vibrationer dæmpning med QCM sensorer kan beregnes andre mængder af interesse, fx til anvendelser i biofysik (adsorptions- af vesikler ) til måling fugtighed, filmtykkelsen bestemmelse, for at studere fasegrænsen ved faststof / væske, til sublimering og bestemmelse af viskositet .

materialer

Langt det vigtigste materiale til QCM'er er krystallinsk α-kvarts, hovedsagelig i AT- eller BT- snit . Alternative materialer til specielle anvendelser, for eksempel til højere temperaturer, er langasit (La 3 Ga 5 SiO 14 , LGS) og galliumorthophosphat (GaPO 4 ). Generelt betegnes målesystemer med alternative materialer også QCM.

Fugtmåling med en kvarts krystal mikrobalance

For at måle fugtigheden ledes gas over en hygroskopisk belagt kvartsoscillator , der ændrer dens frekvens . Detaljeret: først og fremmest ledes målegassen over sensoren i nogen tid , hvorved der etableres en ligevægt mellem adsorption og desorption af fugt i det hygroskopisk aktive lag, mængden af fugt adsorberet i ligevægten er proportional med fugtigheden indhold. Frekvensændringen af ​​kvartsoscillatoren er også proportional med mængden af ​​adsorberet fugt. Denne ændring i frekvens bestemmes og konverteres til fugtighedsværdier ved måling af elektronik / mikrokontroller . Hastighed, en særlig følsomhed over for vanddamp og en høj opløsning ned til sporområdet er typiske for QCM-fugtighedssensorer.

svulme

  1. ↑ a b Piezoelektriske sensorer (=  Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors . Volume 5 ). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-36567-9 , doi : 10.1007 / 978-3-540-36568-6 ( springer.com [åbnet 18. september 2019]).
  2. Ün Günter Sauerbrey: Brug af kvartskrystaller til vejning af tynde lag og til mikrovægt . I: Z. Phys. . 155, nr. 2, 1959, s. 206. bibcode : 1959ZPhy..155..206S . doi : 10.1007 / BF01337937 .
  3. ↑ Kay Keiji Kanazawa: Nogle grundlæggende funktioner til at betjene og analysere data ved hjælp af tykkelse forskydningstilstand resonator . I: Analysten . bånd 130 , nr. 11 , 2005, ISSN  0003-2654 , s. 1459 , doi : 10.1039 / b506691n ( rsc.org [åbnet 18. september 2019]).