Кварцовите кристали, поради своя уникален пиезоелектричен ефект, играят жизненоважна роля в много области. Техните приложения обхващат широк спектър от високо-технологични сектори, включително електроника, комуникации и космическо пространство.
1. Кварцови кристални осцилатори
Кварцов кристален осцилатор използва кварцов кристал като сърцевина на резонансна честотна-селективна верига. Този осцилатор е конструиран чрез прецизно нарязване на кварцов кристал на тънки резени и закрепване на метални пластини към техните повърхности. Принципът му на действие се основава на обратния пиезоелектричен ефект: кварцовите кристали вибрират механично под въздействието на променливо електрическо поле. Тъй като всеки кварцов кристал има специфична естествена вибрационна честота, възниква резонанс, когато приложено електрическо поле съответства на тази честота. Тази характеристика прави кварцовите кристали идеален избор за високо-прецизни резонансни честотни-селективни вериги. Кварцовите кристални осцилатори, поради тяхната отлична стабилност на честотата, играят ключова роля в множество устройства, включително стандартни честотни генератори, броячи на импулси и кварцови часовници.
2. Микровезна с кварцови кристали
Quartz Crystal Microbalance (QCM) е инструмент, който използва пиезоелектричния ефект на кварцовия кристал за измерване на промените в повърхностната маса на електрода. От въвеждането си в началото на 60-те години на миналия век той се превърна в мощен инструмент за откриване на маса на нанограм-ниво поради изключително високата си чувствителност. Неговият принцип на работа е, че промяната в повърхностната маса на кварцовия кристален електрод ще се преобразува в промяна на честотата на изходния електрически сигнал на колебателната верига. След това този процес се анализира от спомагателно оборудване като компютри, за да се получат високо-прецизни резултати от измерването. Следователно микровезните от кварцови кристали играят жизненоважна роля в много области като медицина, химическа промишленост, храна, биомедицина, мониторинг на околната среда, индустрия и военни.
3. Пиезоелектричен биосензор
(1) Пиезоелектричен имуносензор
Принципът на работа на пиезоелектричния имуносензор е да фиксира антитела или антигени върху повърхността на кварцов кристал и да използва специфичната афинитетна реакция между антиген и антитяло. Когато антигенът или антитялото, които трябва да бъдат измерени, взаимодействат с фиксираното вещество за разпознаване и произвеждат специфична адсорбция, натоварването на повърхностната маса на кристала ще се увеличи съответно. Тази промяна може да се наблюдава чрез промяна на честотата на сензора, като по този начин се определя количеството на адсорбираното антитяло или антиген.
(2) Пиезоелектричен ген сензор
Основният принцип на пиезоелектричния генен сензор за откриване на ДНК е да фиксира едноверижната- ДНК сонда върху кристалната повърхност. Когато ДНК последователността, която трябва да бъде открита, е комплементарна към нея, в чипа възниква реакция на хибридизация, за да се образува двойно{2}}верижна ДНК. Този процес ще доведе до увеличаване на кристалната маса и промени в повърхностната вискоеластичност. Тези промени могат да бъдат измерени чрез промяна на честотата на сензора и анализ на мрежата.