Quarzkristall-Mikrowaage

Quarzkristall-Mikrowaagen (englisch Quartz Crystal Microbalance, QCM) sind Mikrowaagen, deren Sensor auf einem Schwingquarz basiert. Dabei wird die piezoelektrische Eigenschaft von Quarz genutzt, die zu einer Frequenzänderung des Schwingquarzes führt, welche in Abhängigkeit zur Masse des auf einer Oberfläche des Quarzes adsorbierten Materials steht. Anders als der Namen vermuten lässt, werden QCM-basierte Systeme nicht ausschließlich als Waagen oder Mikrowaagen eingesetzt, sondern dienen auch als Sensoren für andere Messgrößen.

Schwingquarz eines QCM-Feuchtesensors mit Goldelektroden (links: Frontansicht, rechts: Rückansicht)

Deformationsschwingungen des Quarzplättchens

Allgemeines

Quarze gehören zur Familie von Kristallen mit piezoelektrischem Effekt. Piezoelektrische Effekte kommen unter anderem bei Anwendungen im Bereich Sensoren, Aktoren, Frequenzerzeugung, Motoren usw. zum Einsatz. Dabei wird üblicherweise eine Beziehung zwischen elektrischer Spannung und mechanischer Verformung des Quarzes genutzt, wodurch sich auch die Eignung als Schwingquarz ableitet. So induziert eine am Quarz angeschlossene Wechselspannung Schwingungen mit sehr präziser Eigenfrequenz. Bei Resonanzfrequenzen im 4-bis-6-MHz-Bereich sind Auflösungen bis 1 Hz möglich.

Die Frequenz der Schwingung des Quarzes ist unter Anderem von der Dicke des Kristalls abhängig. Im ungestörten Zustand ergibt sich also eine Frequenz, die zu den Abmessungen des Quarzes proportional ist. Lässt man nun alle anderen äußeren Einflüsse konstant und ändert die Dicke des Quarzes (durch Aufbringen eines Films), korreliert diese Änderung direkt zu einer Veränderung in der Frequenz. Vereinfacht ausgedrückt kann die Frequenzänderung präzise quantifiziert und korreliert werden und so zur exakten Massenbestimmung herangezogen werden (Sauerbrey-Gleichung).

QCM-Sensoren werden aber nicht ausschließlich als Waagen bzw. als Mikrowaagen eingesetzt, vielmehr auch in Anwendungen der Biophysik (Adsorption von Vesikeln), zur Feuchtemessung, zur Filmdickenbestimmung, zur Untersuchung des Phasengrenzbereiches fest/flüssig, zur Viskositätsbestimmung und in anderen Bereichen eingesetzt.

Materialien

Das bei Weitem wichtigste Material für QCMs ist kristalliner α-Quarz, meist im AT- oder BT-Schnitt. Alternative Materialien für spezielle Anwendungen, beispielsweise für höhere Temperaturen, sind Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄, LGS) und Galliumorthophosphat (GaPO₄). Allgemein werden auch Messsysteme mit alternativen Materialien als QCM bezeichnet.

Feuchtemessung mit einer Quarzkristall-Mikrowaage

Zur Feuchtemessung wird Gas über einen hygroskopisch beschichteten Quarzoszillator geleitet, wodurch sich dessen Frequenz ändert. Im Einzelnen: zuerst wird für einige Zeit das Messgas über den Sensor geleitet, wodurch in der hygroskopisch aktiven Schicht ein Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorption der Feuchte einstellt, die im Equilibrum adsorbierte Feuchtemenge ist proportional zum Feuchtegehalt. Ebenfalls proportional zur adsorbierten Feuchtemenge ist die Frequenzänderung des Schwingquarzes. Diese Frequenzänderung wird bestimmt und durch eine Messelektronik/Mikrocontroller in Feuchtewerte umgerechnet. Schnelligkeit, eine besondere Sensitivität auf Wasserdampf und eine hohe Auflösung bis hin zum Spurenbereich sind für QCM-Feuchtesensoren typisch.