O microbalanță de cuarț este un caz special al unei microbalanțe piezoelectrice în care materialul piezoelectric utilizat este cuarț . Este produs în mod convențional prin depunerea a doi electrozi conductori pe fiecare parte a unui substrat piezoelectric.
Principiul de bază al microbalanței este perturbarea condițiilor limită ale unui rezonator: în cazul microbalanței de cuarț, aceasta este grosimea efectivă a substratului în care este limitată unda acustică. Prin depunerea unui material (polimer, proteine, metal) pe o microbalanță, grosimea văzută de unda acustică este mărită de grosimea acestui strat și frecvența de rezonanță a dispozitivului este deplasată, deoarece Δf / f = Δh / h cu f frecvența rezonantă a dispozitivului și h grosimea de închidere a undei. În teoria cea mai crudă propusă inițial de Sauerbrey, se presupune că stratul suplimentar are aceleași proprietăți mecanice ca substratul. Multe modele au fost dezvoltate de atunci pentru a lua în considerare diferența de impedanță acustică a multistratului, vâscozitatea sau rugozitatea substratului.
Sensibilitatea microbalanței și capacitatea sa de a măsura mase de câțiva ng / cm 2 provine, pe de o parte, din pierderile acustice foarte mici din cuarț, care conferă dispozitivului un factor de înaltă calitate (câteva zeci de mii în aer, un câteva mii în fază lichidă) și, pe de altă parte, capacitatea noastră de a măsura cu foarte mare precizie frecvența de oscilare a unui astfel de dispozitiv (frecvența este cantitatea fizică care se măsoară cu cea mai mare precizie). Deși principiul perturbării unui rezonator de factor de înaltă calitate pentru a face din acesta un senzor sensibil este generalizat la un număr mare de dispozitive, alegerea substratului piezoelectric conferă sistemului general o dimensiune mică și un semnal electric ușor de generat și procesat.
Modelul electric echivalent (cunoscut sub numele de Butterworth-Van Dyke) include o ramură acustică așa- numită RLC (rezistență-inductanță-condensator) ale cărei componente electrice sunt atribuite valori rezultate din analogii între mărimile mecanice (pierderi, masă, respectiv rigiditate) și electric, și o ramură electrică paralelă, a cărei valoare a condensatorului este direct egală cu capacitatea formată de cei doi electrozi depuși de ambele părți ale substratului piezoelectric. Această analogie electrică face posibilă integrarea senzorului în modele electrice complete de oscilatoare și revenirea la cantitățile fizice relevante (masa și vâscozitatea stratului adsorbit pe senzor) în funcție de mărimile măsurate (frecvența de rezonanță și factorul de calitate ).
Capacitatea unui senzor de a detecta o cantitate foarte mică de masă adsorbită este, pe de o parte, legată de variația cantității măsurate sub efectul perturbării masei de măsurat și, pe de altă parte, de stabilitatea acesteia și mai general raportul semnal / zgomot al măsurătorii. Cuarțul este un substrat la alegere datorită coeficientului său foarte scăzut de deriva termică atunci când este selectată tăierea AT. Geometria microbalanței - un disc în care unda este limitată în volum, departe de punctele de atașare a rezonatorului sau sigiliile care limitează lichidul deasupra suprafeței sensibile - îi permite să limiteze eficient energia și să păstreze un factor de înaltă calitate în aproape toate condițiile. . În ciuda acestor avantaje, microbalanța rămâne sensibilă la stresul articulațiilor în timpul asamblării sale sau la presiunea hidrostatică a lichidului atunci când se dorește o precizie ridicată (stabilitate de frecvență mai mică de zece Hz). Când configurația oscilatorului o permite ( Colpitts sau NIC - Convertor de impedanță negativă - de exemplu), aveți grijă să conectați electrodul în contact cu lichidul la sol și punctul fierbinte la fața opusă pentru a depăși perturbările asociate cu variații ale permitivității sau conductivității lichidelor prezente.
Una dintre aplicațiile microbalanțelor de cuarț este măsurarea continuă a concentrațiilor următoarelor particule suspendate din aer: PM 10 , PM 2,5 și PM 1 .
Principiul său este acela al unei balanțe care utilizează o tijă de cuarț în partea de sus a căreia se află o celulă mică în care se depun particule suspendate în aer; când celula este goală, sistemul oscilează în funcție de o frecvență naturală măsurabilă. După ce a colectat, în celulă, particulele depuse pe un filtru, masa sistemului crește și, prin urmare, provoacă o ușoară scădere a frecvenței naturale a oscilației. Măsurătorile foarte precise permit astfel determinarea masei particulelor colectate într-un anumit timp și cunoașterea ratei de eșantionare a aerului, accesarea concentrației particulelor în suspensie; acest sistem are avantajul de a se putea repeta rapid și astfel de a putea accesa ceea ce se numește determinări continue, adică concret, exprimând „valori orare 1/4” cât mai fine.
Acest analizor este frecvent utilizat în stație de către AASQA ; cu toate acestea, referința pentru măsurarea particulelor suspendate rămâne metoda gravimetrică .