Křemenné mikrováhy je zvláštní případ piezoelektrického mikrováhy , v němž piezoelektrický materiál je křemen . Obvykle se provádí nanesením dvou vodivých elektrod na obě strany piezoelektrického substrátu.
Základním principem mikrováhy je narušení okrajových podmínek rezonátoru: v případě křemenné mikrováhy jde o efektivní tloušťku substrátu, ve kterém je omezena akustická vlna. Uložením materiálu (polymer, proteiny, kov) na mikrováhu se tloušťka viděná akustickou vlnou zvětší o tloušťku této vrstvy a rezonanční frekvence zařízení se posune, protože Δf / f = Δh / h s f rezonanční frekvence zařízení a h omezující tloušťka vlny. V nejhrubší teorii původně navržené Sauerbreyem se předpokládá, že další vrstva má stejné mechanické vlastnosti jako substrát. Od té doby bylo vyvinuto mnoho modelů, které berou v úvahu rozdíl v akustické impedanci vícevrstvy, viskozitu nebo drsnost podkladu.
Citlivost mikrováhy a její schopnost měřit hmotnosti několika ng / cm 2 vychází jednak z velmi nízkých akustických ztrát v křemenu, které dávají zařízení vysoký faktor kvality (několik desítek tisíc ve vzduchu, několik tisíc v kapalné fázi) a na druhé straně naše schopnost měřit s velmi vysokou přesností frekvenci kmitání takového zařízení (frekvence je fyzikální veličina, která se měří s největší přesností). Ačkoli je princip rušení vysoce kvalitního faktorového rezonátoru, aby se stal citlivým senzorem, zobecněn na velké množství zařízení, volba piezoelektrického substrátu dává celému systému malou velikost a elektrický signál, který lze snadno generovat a zpracovat.
Ekvivalentní elektrický model (známý jako Butterworth-Van Dyke) obsahuje takzvanou větev RLC (odpor-indukčnost-kondenzátor), jejíž elektrické součásti jsou přiřazeny hodnoty vyplývající z analogií mezi mechanickými veličinami (ztráty, hmotnost, tuhost) a elektrická a paralelní elektrická větev, jejíž hodnota kondenzátoru se přímo rovná kapacitě tvořené dvěma elektrodami uloženými na obou stranách piezoelektrického substrátu. Tato elektrická analogie umožňuje integrovat senzor do kompletních elektrických modelů oscilátorů a vrátit se k příslušným fyzikálním veličinám (hmotnost a viskozita vrstvy adsorbované na senzoru) jako funkce měřených veličin (rezonanční frekvence a faktor kvality) ).
Schopnost senzoru detekovat velmi malé množství adsorbované hmoty je na jedné straně spojena s variací měřeného množství v důsledku narušení měřené hmotnosti a na druhé straně s jeho stabilitou a obecněji poměr signálu k šumu měření. Křemen je substrát volby, protože má velmi nízký koeficient tepelného driftu, když je zvolen řez AT. Geometrie mikrováhy - disk, ve kterém je vlna omezena objemem, mimo připojovací body rezonátoru nebo těsnění omezující kapalinu nad citlivým povrchem - umožňuje účinně omezovat energii a udržovat faktor vysoké kvality za prakticky všech podmínek . Navzdory těmto výhodám zůstává mikrováha citlivá na napětí ve spojích během její montáže nebo na hydrostatický tlak kapaliny, když je požadována vysoká přesnost (stabilita frekvence menší než deset Hz). Pokud to konfigurace oscilátoru umožňuje (například Colpitts nebo NIC - Negative Impedance Converter - například), připojte elektrodu v kontaktu s kapalinou k zemi a horký bod na opačnou stranu, abyste překonali rušení spojené se změnami permitivity nebo vodivosti přítomných kapalin.
Jednou z aplikací křemenných mikrováh je kontinuální měření koncentrací následujících suspendovaných částic ve vzduchu: PM 10 , PM 2,5 a PM 1 .
Jeho princip spočívá v rovnováze pomocí křemenné tyče, na jejímž vrcholu je malá buňka, kde se usazují částice suspendované ve vzduchu; když je buňka prázdná, systém osciluje podle měřitelné vlastní frekvence. Poté, co se v buňce shromáždí částice usazené na filtru, se hmotnost systému zvýší, a proto způsobí mírné snížení přirozené frekvence oscilace. Velmi přesná měření tak umožňují určit hmotnost částic shromážděných za určitou dobu a při znalosti rychlosti vzorkování vzduchu získat přístup ke koncentraci částic v suspenzi; Výhodou tohoto systému je, že se dokáže rychle opakovat, a má tak přístup k takzvaným kontinuálním určením, to znamená konkrétně, vyjadřujícím co nejjemněji „hodnoty za 1/4 hodiny“.
Tento analyzátor AASQA ve stanici často používá ; referencí pro měření suspendovaných částic však zůstává gravimetrická metoda .