Monokristalinis kvarcas pasižymi savybėmis, kurias galima sėkmingai panaudoti gaminant įvairius jutiklius. Apie tai savaitraštyje "Elektronik i Norden" paskelbtame straipsnyje, kurio turinį čia atpasakosime, pasakoja G. Thornellis iš kompanijos Quartz Pro AB.
Monokristalinis kvarcas, matyt, yra viena iš geriausiai mums žinomų medžiagų, nesvarbu, ar kalbėsime apie gamtinį ar apie sintetinį kvarcą, naudojamą kompiuteriuose, telekomunikacijų įrangoje ir laikrodžiuose. Daugelio unikalių kvarco savybių priežastis slypi jo atominėje sandaroje. Skirtingai nuo stechiometriškai jam identiško silicio oksido (SiO2), susidarančio siliciui "rūdijant", turime reikalą ne su netvarkinga, amorfiška terpe, bet su tvarkingai į tetraedrus supakuotais silicio ir deguonies atomais, kurie didesnėje skalėje pasireiškia kaip gerai pažįstami prizmės formos kristalai. Būtent dėl šios tvarkingos sandaros atsiranda eilė nuo krypties priklausančių kvarco savybių. Pavyzdžiui, jo terminis plėtimasis įvairiomis kristalografinėmis kryptimis yra skirtingas.
Nuo krypties priklauso ir kvarco mechaninis kietumas. Be to, kai medžiaga esti chemiškai ėsdinama, skirtingos jos plokštumos tirpsta skirtingu greičiu. Panašų sąrašą galima tęsti ir tęsti, bet, matyt, didžiausią reikšmę turi kvarco atsako į elektrinį lauką anizotropija. Kvarcas yra pjezoelektrinė medžiaga, todėl pridėjus elektrinę įtampą jis išsiplečia silicio ir deguonies atomams pakeitus vienų kitų atžvilgiu savo poziciją. Tai vyksta tik keliomis kryptimis.
Rankiniuose laikrodžiuose
Galimybė tokioje švarioje ir stabilioje medžiagoje keisti elektrinį signalą mechaniniu dvidešimtojo amžiaus pirmoje pusėje leido atsirasti ir sparčiai vystytis kvarco pramonei. Reikėjo dideliu tikslumu pagaminti iš tos medžiagos gerai skambančius, plokštelės formos rezonatorių elementus, naudojamus gerinti radijo ryšiui ir mažinti radijo aparatūros dydžiui.
Antroje šimtmečio pusėje buvo sukurtos litografijos technologijos, leidusios pagaminti sudėtingesnės formos plokšteles, todėl šiandien daugelis mūsų turime po mažytį kvarco kamertoną, prižiūrintį, kad mūsų rankiniai laikrodžiai rodytų teisingą laiką. Kasdien jų pagaminama po kelis milijonus, todėl kvarco rezonatoriai yra didžiausio pasisekimo sulaukęs mikromechaninis darinys.
Jutiklio, reaguojančio į pokyčius, atitinkančius vienos molekulės storio sluoksnį, elementas. Priešingose 0,1 mm storio kvarco kristalo plokštelės pusėse yra du auksiniai elektrodai, kurie pjezoelektriškai sužadina kristalą.
Eterį vis labiau užpildant įvairiais signalais (o tai labai paspartėjo pradėjus masiškai plisti mobiliajai telefonijai) bei didėjant mūsų reikalavimams, keliamiems tikslumui ir punktualumui, kvarco pramonei teko naujos užduotys - reikėjo pagaminti švaresnius kristalus ir optimizuoti jų apdorojimo technologiją, šitaip pasiekiant tikslesnių rezonanso dažnių ir didesnio jų stabilumo ir laikui bėgant, ir keičiantis aplinkos temperatūrai.
Šitai iliustruodami, bent jau mintyse įdėkime į verdantį vandenį savo kvarcinį laikrodį. Mažojo kamertono virpesiai kiek sulėtės ir taps ne tokie aiškūs, todėl dažnis kiek sumažės, o laikrodis per parą suvėluos apie 25 s. Taip yra dėl to, jog plokštelės, iš kurios pagamintas kamertonas, orientacija laipsnio dalių tikslumu yra parinkta tokia, kad laikrodis rodytų tikslų laiką tiktai tada, kai jis 16 val. per parą yra nešiojamas ant riešo, kurio temperatūra yra apie 30 laipsnių, o likusią paros dalį guli ant kiek vėsesnės naktinės spintelės.
Telekomunikacijose
Visiškai kitos orientacijos ir kitaip virpantys kvarco kristalai yra naudojami telekomunikacinėje technikoje. Šiuo atveju reikalaujama, kad temperatūrinis dažnio stabilumas būtų geresnis nei milijoninė jo laipsnio dalis. Be to, kristalui senstant jo rezonansinis dažnis per parą negali pasikeisti daugiau kaip viena milijardine dalimi. Tokiems pritaikymams, paprastai naudojamiems įžambiai svyruojančiuose kristaluose, negalima pasirinkti lengvesnio varianto ir prizminių plokštumų, kurios lengviausiai ėsdinamos ir dėl to dažniausiai naudojamos gaminant aukščiau minėtus kamertonus. Čia pasirenkama nepaprastai termiškai stabili vadinamoji AT kristalografinė plokštuma. Bet ši plokštuma, o ypač jos vibracinės savybės, yra be galo jautrios storio pokyčiams, o tam tikru požiūriu - net ir mechaniniams įtempimams. Geriau tai suprantama žinant, kad svyravimų dažnis yra atvirkščiai proporcingas storiui ir kad 10 MHz pagrindiniam kristalo dažniui tas storis yra apie 100 mm.
Taigi, dažnis, pakitęs milijardine dalimi, atitinka kelių vienatomių sluoksnių dydžio storio pakitimus. Turint gerą dažnomatį, galima registruoti tokius milijardinės dalies dydžio pokyčius, kurie parodo, kad ant kristalo paviršiaus nusėda angliavandenių molekulės, kurias svyruojantis kristalas pirmame artutinume palaiko kvarcu. Iš to išeina, kad yra nesunku sukurti detektorių, sugebantį matuoti nuotolius vienatomio sluoksnio tikslumu, arba promilės tikslumo molekulių skaičiuokles.
Savaime suprantama, kad plonasluoksnis elektrodas, kuris ant generatoriaus paviršiaus yra sukuriamas garinant metalą ir yra reikalingas aktyvuojant rezonatorių, gali taip pat būti panaudojamas tikslinant dažnį, pakitusį po šlifavimo, ėsdinimo, poliravimo ir kitų kvarco kristalą formuojant būtinų procedūrų, kurios garantuoja dešimtųjų mikrono dalių skyrą, taigi, yra gerokai per grubios. Aišku, reikia ypatingo atsargumo saugant rezonatorių nuo iš oro patenkančių teršalų, kurie netgi gero vakuumo sistemoje sekundės dalimis gali sudaryti paviršiuje vienatomio storio sluoksnį.
Ypač puikūs jutikliai
Tai, kas yra kliūtis gaminant tikslius ir stabilius rezonatorius telekomunikacinei technikai, yra vis plačiau panaudojamas pranašumas, kuriuo naudojamasi kuriant naujus sensorius. Įvairios orientacijos ir įvairaus dydžio kvarco kristalai gali būti naudojami matuojant visą eilę skirtingų dydžių, pavyzdžiui, pagreitį, įtempimą, masę, sukimosi momentą, drėgmę, reakcijos greitį, slėgį ir temperatūrą. Keli iš šių taikymų yra sujungti į vadinamąją QCM technologiją (QCM - Quartz Crystal Microbalance - kvarco kristalo mikrosvarstyklės), kuri dažnai yra taikoma matuojant garinimo greitį ir užgarintų sluoksnių storį. Kai yra žinoma, kokia medžiaga yra nusodinama, matuojant QCM rezonanso dažnio pokyčius galima proceso metu nustatyti garinamo sluoksnio storį angstremų tikslumu. Šitaip nustatomos greitųjų reakcijos fazių, pavyzdžiui, kristalo paviršiuje nusodinto netauraus metalo sluoksnio, oksidavimosi spartos.
Vadovaujantis teorija, aprašančia sąveiką su nelanksčiais, plonais absorbento sluoksniais, galima išmatuoti klampiose terpėse atsirandančius energijos nuostolius, o pačią techniką panaudoti nustatant dujų ir skysčių tankį ir klampumą (medžiagų klampumas yra matuojamas 17 dešimtainės sistemos laipsnių ribose - toks intervalas atitinka santykį tarp šio žurnalo storio ir to nuotolio, kurį per metus nuvažiuoja visi pasaulio automobiliai).
Sukūrus papildomai funkcinį paviršiaus sluoksnį, pavyzdžiui, labai absorbuojančią polimero arba biocheminę plėvelę, minėtasis didžiulis metodo selektyvumas gali būti panaudojamas gausybėje chemijos pritaikymų, medicinoje ir biologijoje.
