Tinh thể thạch anh, do hiệu ứng áp điện độc đáo của chúng, đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Ứng dụng của họ trải rộng trên nhiều lĩnh vực công nghệ cao-, bao gồm điện tử, truyền thông và hàng không vũ trụ.
1. Bộ dao động tinh thể thạch anh
Bộ tạo dao động tinh thể thạch anh sử dụng tinh thể thạch anh làm lõi của mạch chọn lọc tần số cộng hưởng. Bộ dao động này được chế tạo bằng cách cắt chính xác tinh thể thạch anh thành những lát mỏng và gắn các tấm kim loại lên bề mặt của chúng. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiệu ứng áp điện nghịch đảo: tinh thể thạch anh dao động cơ học dưới tác động của điện trường xoay chiều. Bởi vì mỗi tinh thể thạch anh có tần số rung động tự nhiên cụ thể, sự cộng hưởng xảy ra khi một điện trường ứng dụng phù hợp với tần số này. Đặc điểm này làm cho tinh thể thạch anh trở thành lựa chọn lý tưởng cho các mạch chọn lọc-tần số cộng hưởng có độ chính xác cao{6}}. Bộ tạo dao động tinh thể thạch anh, do tính ổn định tần số tuyệt vời của chúng, đóng vai trò quan trọng trong nhiều thiết bị, bao gồm máy tạo tần số tiêu chuẩn, bộ đếm xung và đồng hồ thạch anh.
2. Cân vi lượng tinh thể thạch anh
Cân vi lượng tinh thể thạch anh (QCM) là một thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh để đo sự thay đổi khối lượng bề mặt điện cực. Kể từ khi được giới thiệu vào đầu những năm 1960, nó đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để phát hiện khối lượng cấp nanogram{2} do độ nhạy cực cao của nó. Nguyên lý làm việc của nó là sự thay đổi khối lượng bề mặt của điện cực tinh thể thạch anh sẽ được chuyển thành sự thay đổi tần số của tín hiệu điện đầu ra của mạch dao động. Sau đó, quá trình này được phân tích bằng thiết bị phụ trợ như máy tính để thu được kết quả đo có độ chính xác-cao. Vì vậy, cân vi lượng tinh thể thạch anh đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y học, công nghiệp hóa chất, thực phẩm, y sinh, giám sát môi trường, công nghiệp và quân sự.
3. Cảm biến sinh học áp điện
(1) Cảm biến miễn dịch áp điện
Nguyên lý hoạt động của cảm biến miễn dịch áp điện là cố định kháng thể hoặc kháng nguyên trên bề mặt tinh thể thạch anh và sử dụng phản ứng ái lực đặc hiệu giữa kháng nguyên và kháng thể. Khi kháng nguyên hoặc kháng thể cần đo tương tác với chất nhận dạng cố định và tạo ra sự hấp phụ đặc hiệu, tải khối bề mặt của tinh thể sẽ tăng tương ứng. Sự thay đổi này có thể được theo dõi bằng sự thay đổi tần số của cảm biến, từ đó xác định lượng kháng thể hoặc kháng nguyên được hấp phụ.
(2) Cảm biến gen áp điện
Nguyên lý cơ bản của cảm biến gen áp điện để phát hiện DNA là cố định-đầu dò DNA chuỗi đơn trên bề mặt tinh thể. Khi trình tự DNA được phát hiện bổ sung cho nó, phản ứng lai xảy ra trên chip để tạo thành chuỗi DNA kép. Quá trình này sẽ dẫn đến sự gia tăng khối lượng tinh thể và thay đổi độ nhớt đàn hồi bề mặt. Những thay đổi này có thể được đo bằng sự thay đổi tần số của cảm biến và phân tích mạng.