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Elektrochemische und elektronische Detektionsverfahren in der Sensorik

Schwingquarze

Schwingquarze gehören zu den massensensitiven Transducern.

Sie bestehen aus dünn geschliffenen Quarzplättchen, auf deren gegenüberliegenden Flächen zwei Elektroden angebracht sind. Wird an diese Elektroden eine Spannung angelegt, kommt es zu einer mechanischen Deformation des Quarzes. Diese Deformation beruht auf der Elektrostriktion, dem reziproken Effekt zum piezoelektrischen Effekt. Durch Anlegen einer Wechselspannung bilden sich stehende Wellen aus (engl. bulk acoustic waves "BAW").

Die Massenzunahme durch Adsorption des zu detektierenden Gases kann als Zunahme der Dicke des Plättchens aufgefasst werden. Die Frequenzabnahme ist proportional zur Massenzunahme und umgekehrt proportional zum Quadrat der Grundfrequenz. Die Sensitivität verbessert sich durch eine Erhöhung der Grundfrequenz. Die Grundfrequenz hängt aber von der Dicke des Plättchens ab. Wegen mechanischer Probleme ist die erreichbare Frequenz bei Verwendung von Obertönen ( n > 0 ) auf ca. 70 M Hz begrenzt. Will man höhere Frequenzen verwenden, bzw. noch dünnere Plättchen, muss man zu Oberflächenwellenbauteilen übergehen (engl. surface acoustic waves "SAW"). Die Resonanzfrequenz ist umgekehrt proportional zur Dicke des Quarzplättchens.

Beispiel

Bei einem 10 M Hz Schwingquarz mit einer Elektrodenfläche von 1cm2 ergibt sich eine Abnahme der Resonanzfrequenz um 0,226 Hertz pro Nanogramm.

Diese Bauteile werden deshalb auch Quarz-Mikrowaagen (engl. quartz crystal microbalance "QCM") genannt.

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