سنسور کریستال کوارتز میکروبالانس (QCM) یک کریستال پیزوالکتریک است که جرم اضافی قرار گرفته بر روی آن را می‌توان بر اساس تغییر فرکانس تشدید آن، تشخیص داد. با عامل‌دار کردن سطح حسگر برای تشخیص ذرات خاص می‌توان از آنها در کاربردهای مختلفی مانند سنجش زیستی یا نظارت بر محیط استفاده نمود.
کریستال پیزوالکتریک چیست؟
مواد جامدی که اتم‌ها یا مولکول‌های آنها به طور منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند کریستال نامیده می‌شوند (ساختار این سلول‌ها دارای سلول واحد است). مواد پیزوالکتریک از نظر الکتریکی خنثی هستند و اگرچه ساختار اتم‌های این مواد لزوما متقارن نیست، اما از نظر بار الکتریکی یکدیگر را خنثی می‌کنند. هنگامی که یک نیروی مکانیکی به ماده پیزوالکتریک وارد می‌شود، فاصله بین اتم‌ها تغییر پیدا می‌کند و آنها به سمت یکدیگر نزدیک یا از یکدیگر دور می‌شوند.
در نتیجه، بارهای الکتریکی به طور ناموزون توزیع می‌شوند و یک بار خالص مثبت یا منفی ایجاد می‌شود. از سوی دیگر، هنگامی که یک میدان الکتریکی متناوب (AC) در کریستال اعمال می‌شود، شروع به نوسان در فرکانس تشدید می‌کند. فرکانس تشدید کریستال، به عواملی همچون شکل، جرم، ضخامت و جریان اعمال شده به کریستال، بستگی دارد.
کاربرد کریستال کوارتز
با توجه به حساسیت بالای فرکانس تشدید کریستال کوارتز به جرم اضافی روی سطح آن، از آن به طور گسترده‌ای به عنوان یک حسگر جرمی کریستال کوارتز مبتنی بر تشدید موج صوتی (BAW) برای سنجش غلظت‌های کم مواد در محیط‌های مختلف در زمان واقعی استفاده می‌شود. متعاقبا، مولکول‌های گازی موجود در هوا و ذرات محلول در آنالیت‌های مختلف را می‌توان به دلیل وزن آنها در هنگام رسوب بر روی سطح کریستال شناسایی کرد.
چگونه مقدار جرم ته‌نشین‌شده روی کریستال کوارتز را اندازه‌گیری کنیم؟
رسوب اتم‌های مواد مختلف بر روی کریستال در طول فرآیند پوشش، باعث تغییر جرم کریستالی و تغییر در فرکانس تشدید کریستال، می‌شود. رابطه بین تغییر فرکانس (F) و جرم ته‌نشین‌شده (Δm) به عنوان معادله سائربری (Sauerbrey) تعریف شده است که توسط گانتر سائربری (Gunter Sauerbrey) در سال ۱۹۵۹ معرفی شد:
که در این معادله f۰ فرکانس تشدید اولیه کریستال، E مدول یانگ، ρ چگالی و A مساحت است.
اجزای سنسور کریستال کوارتز
کریستالی که در ضخامت‌سنج‌ها استفاده می‌شود معمولا کریستال کوارتز میکروبالانس (QCM) نامیده می‌شود و از سه قسمت تشکیل شده است:
۱- سنسور کریستال کوارتز با مشخصات عملیاتی مانند محدوده فرکانس، مقاومت و کیفیت الکترود
۲- سر سنسور که دما را تنظیم می‌کند
۳- مانیتور یا کنترل‌کننده الکترونیکی که جریان الکتریکی متناسب برای ارتعاش کریستال را تامین و فرکانس تشدید کریستال را با یک ریزپردازنده داخلی ردیابی می‌کند و اختلاف فرکانس را به ضخامت واقعی لایه تبدیل می‌نماید
سنسور کریستال کوارتز (QCM)
الکترود کریستال کوارتز
کیفیت الکترود کریستال کوارتز می‌تواند کارایی حسگر را در پایش ضخامت لایه نازک تعیین کند. کریستال‌های کوارتز با الکترودهای طلا (QCM با روکش طلا) در اندازه‌گیری ضخامت رایج هستند و برای شرایط تبخیر معمولی مانند تبخیر فلز یا لایه‌نشانی کندوپاشی (Sputtering)، که در آن فرآیند لایه‌نشانی در حالت پایدار و به صورت پیوسته در حال انجام است، به خوبی کار می‌کنند. با این حال، در فرآیندهای لایه‌نشانی جریان بالا، مانند تبخیر با میله‌های کربنی (راد کربنی)، حسگر کریستال کوارتز با روکش نقره کارآمدتر از حسگر با روکش طلا است. یک QCM با روکش طلا، برخلاف QCM با اتصالات از جنس نقره، ضخامت لایه نشانده شده را تا پایان فرآیند پوشش نشان نمی‌دهد.
سنسور کریستال کوارتز و لایهنشانهای پوشش‌های نانوساختار
تمام دستگاه های لایه‌نشانی شرکت پوشش‌های نانوساختار با قابلیت نصب سیستم‌های پایش ضخامت توسط کریستال کوارتز عرضه می‌شوند که قادر به اندازه‌گیری در لحظه ضخامت لایه پوششی با دقت ۱ نانومتر و وضوح ۱ آنگستروم هستند. شرکت پوشش‌های نانوساختار، تولیدکننده سیستم‌های لایه‌نشانی در خلاء به روش‌های مختلف، از جمله اسپاترکوتر، تبخیرکننده‌های حرارتی کربن و فلزات است که بر اساس تکنیک لایه‌نشانی بخار فیزیکی برای ایجاد لایه‌های نازک در کاربردهای تحقیقاتی و آماده‌سازی نمونه‌های میکروسکوپ‌های الکترونی قابل استفاده هستند.
برخی از محصولات شرکت
منابع
- Alanazi, Nadyah, Maram Almutairi, and Abdullah N. Alodhayb. “A Review of Quartz Crystal Microbalance for Chemical and Biological Sensing Applications.” Sensing and Imaging 24.1 (2023): 10.
- https://www.philliptech.com/qcm/
- https://www.biolinscientific.com/hubfs/Content%20Offer/QSense/EN/The%20Sauerbrey%20relation%20v2.pdf?hsLang=en#:~:text=The%20Sauerbrey%20equation%20is%20a,to%20a%20QCM%20crystal%20surface.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Sauerbrey_equation
- Tetyana, Phumlani, Poslet Morgan Shumbula, and Zikhona Njengele-Tetyana. “Biosensors: design, development and applications.” Nanopores. IntechOpen, 2021.
- Maglio, O., Costanzo, S., Cercola, R., Zambrano, G., Mauro, M., Battaglia, R., Ferrini, G., Nastri, F., Pavone, V. and Lombardi, A., 2017. A quartz crystal microbalance immunosensor for stem cell selection and extraction. Sensors, 17(12), p.2747.
- Scarano, Simona, Stefano Mariani, and Maria Minunni. “Label free Affinity sensing: application to food analysis.” Acta Imeko 5.1 (2016): 36-44.
- Yuwono, Arief Sabdo, et al. “Odour pollution in the environment: Development of a measuring system.” Proc. of International Conference on Tropical Agriculture. 2001.
- Bourennane, A., Tanougast, C., Diou, C., & Gorse, J. (2023). Accurate Multi-Channel QCM Sensor Measurement Enabled by FPGA-Based Embedded System Using GPS. Electronics, 12(12), 2666.
- Boiadjiev, S. (2008). Thin films deposition on quartz crystal resonators for applications in gas sensors.