کریستال های کوارتز به دلیل اثر پیزوالکتریک منحصر به فرد خود، نقش حیاتی در زمینه های متعدد ایفا می کنند. کاربردهای آنها طیف وسیعی از بخشهای{1}فناوری پیشرفته، از جمله الکترونیک، ارتباطات، و هوافضا را در بر میگیرد.
1. نوسانگرهای کریستال کوارتز
یک نوسان ساز کریستال کوارتز از کریستال کوارتز به عنوان هسته یک مدار انتخابی فرکانس رزونانس- استفاده می کند. این نوسان ساز با برش دقیق یک کریستال کوارتز به برش های نازک و اتصال صفحات فلزی به سطوح آنها ساخته شده است. اصل عملکرد آن بر اساس اثر پیزوالکتریک معکوس است: کریستال های کوارتز تحت تأثیر میدان الکتریکی متناوب به صورت مکانیکی ارتعاش می کنند. از آنجا که هر کریستال کوارتز دارای یک فرکانس ارتعاش طبیعی خاص است، رزونانس زمانی رخ می دهد که یک میدان الکتریکی اعمال شده با این فرکانس مطابقت داشته باشد. این مشخصه کریستالهای کوارتز را به گزینهای ایدهآل برای مدارهای انتخابی-فرکانس تشدید با دقت بالا- تبدیل میکند. نوسانگرهای کریستال کوارتز به دلیل پایداری فرکانسی عالی، نقش کلیدی در دستگاههای متعددی از جمله ژنراتورهای فرکانس استاندارد، شمارندههای پالس و ساعتهای کوارتز دارند.
2. میکروبالانس کریستال کوارتز
میکروبالان کریستال کوارتز (QCM) ابزاری است که از اثر پیزوالکتریک کریستال کوارتز برای اندازهگیری تغییرات جرم سطح الکترود استفاده میکند. از زمان معرفی آن در اوایل دهه 1960، به دلیل حساسیت بسیار بالا، به ابزاری قدرتمند برای تشخیص جرم در سطح نانوگرام تبدیل شد. اصل کار آن این است که تغییر جرم سطحی الکترود کریستال کوارتز به تغییر فرکانس سیگنال الکتریکی خروجی مدار نوسان تبدیل می شود. سپس این فرآیند توسط تجهیزات کمکی مانند رایانه ها برای به دست آوردن نتایج اندازه گیری با دقت بالا تجزیه و تحلیل می شود. بنابراین، میکروبالانس کریستال کوارتز در بسیاری از زمینه ها مانند پزشکی، صنایع شیمیایی، غذا، زیست پزشکی، نظارت بر محیط زیست، صنعت و نظامی نقش حیاتی ایفا می کند.
3. بیوسنسور پیزوالکتریک
(1) ایمونوسنسور پیزوالکتریک
اصل کار ایمونوسنسور پیزوالکتریک تثبیت آنتی بادی ها یا آنتی ژن ها بر روی سطح کریستال کوارتز و استفاده از واکنش میل ترکیبی خاص بین آنتی ژن و آنتی بادی است. هنگامی که آنتی ژن یا آنتی بادی مورد اندازه گیری با ماده شناسایی ثابت برهمکنش داشته باشد و جذب خاصی را ایجاد کند، بار جرمی سطحی کریستال بر این اساس افزایش می یابد. این تغییر را می توان با تغییر فرکانس سنسور کنترل کرد و در نتیجه مقدار آنتی بادی یا آنتی ژن جذب شده را تعیین کرد.
(2) سنسور ژن پیزوالکتریک
اصل اساسی حسگر ژن پیزوالکتریک برای تشخیص DNA این است که پروب DNA تک رشته ای-روی سطح کریستال ثابت شود. وقتی توالی DNA که باید شناسایی شود مکمل آن باشد، واکنش هیبریداسیون روی تراشه برای تشکیل DNA دو رشتهای رخ میدهد. این فرآیند منجر به افزایش جرم کریستالی و تغییر در ویسکوالاستیسیته سطحی خواهد شد. این تغییرات را می توان با تغییر فرکانس حسگر و تحلیل شبکه اندازه گیری کرد.