استعمالات متعددة لطنان الكوارتز ومعدن الكوارتز
2013 الرمل والسيليكون
دنيس ماكوان
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
توجد طنانات الكوارتز في قلب العديد من نماذج المحساسات، وبدلاً من استعمال الطنان لتأمين معيار تردد، يقيس محساس الكوارتز تغيرات تردد الطنين التي تنتج عن تغيرات كتلة ودرجة حرارة بلورة الكوارتز.
وعلى سبيل المثال، يمكن أن يكشف ميزان بلورة الكوارتز الميكروي (QCM) إضافة طبقة منفردة من الذرات على سطح بلورة الكوارتز، وهذا ما يقابل تغيراً في الكتلة قدره 1 x 10-8 غ/سم2.
يتشابه المبدأ خلف ميزان بلورة الكوارتز الميكروي (QCM) مع النقر على وتر الكمان حيث يهتز الوتر إلى الأمام وإلى الخلف في اتجاه عمودي على محور الوتر، وهذا ما يسمى موجة عرضانية.
ويتعلق تردد اهتزاز الوتر بطوله ودرجة شدّه وكتلته في وحدة الطول. وفي صفيحة كوارتز، تتولد موجة عرضانية بواسطة تطبيق إجهادٍ موازٍ لسطح البلورة ينتج عنه موجة تهتز في اتجاه عمودي على سطح البلورة. ويكون تردد الطنين محساساً لتغير صغير في سماكة صفيحة الكوارتز عندما يتم ترسب غشاء رقيق على السطح (Ward and Buttry 1990).
يمكن استخدام تغير تردد طنين صفيحة كوارتز مع تغيرات درجة الحرارة لتصنيع موازين حرارة، فخواص الكوارتز غير موحدة المناحي، أي أنها تختلف من أجل اتجاهات مختلفة في البلورة. وتُصنَّع الأجهزة بقطع الصفائح من البلورة، ويسمى اتجاه الصفيحة بالنسبة للوجوه الطبيعية للبلورة الأصلية بـ "المقطع"، وتستعمل مقاطع مختلفة إذا كانت الاستجابة الكهرضغطية نتيجة ضغط بسيط أو نتيجة تطبيق قص على الصفيحة.
ومن أجل الاستعمال كمعيار تردد، يتم اختيار الاتجاهات التي يكون من أجلها تردد الطنين مستقلاً تقريباً عن درجة الحرارة. ومع ذلك، هناك مقاطع يتغير من أجلها تردد الطنين خطياً مع درجة الحرارة وتكون الفولطية الكهرضغطية مقياساً لدرجة الحرارة.
وتَستعمل مقاييس درجة حرارة دقتها من مرتبة الميلي درجة أو حتى الميكرو درجة هزازات الكوارتز كعنصر تحسس (Martin 1976).
يُستعمل الكوارتز لتصنيع محساسات تسارع وضغط ( Errol et al. 1988 )، وتعتمد هذه التطبيقات على تغير فولطية الكهرضغطية الناتجة عن التشوه الميكانيكي.
فعندما يتسارع جسم تتولد قوة، وحسب قانون نيوتن (Newton)، تساوي القوة ضرب الكتلة بالتسارع. وإذا ضغط الجسم الخاضع لتسارع على بلورة كوارتز، فإن القوة الناتجة تضغط على بلورة الكوارتز مما يولد فولطية كهرضغطية تتناسب مباشرة مع التسارع. وتوفر مقاييس التسارع تطبيقات واسعة في الصناعة كمحساسات اهتزاز في الهياكل الكبرى مثل الجسور والسيارات والطائرات.
يعتمد نوع آخر من مقياس التسارع على السيليكون المنتج من الرمل، فالعوارض النائتة الصغيرة من السيليكون المثبتة من جهة واحدة تنحني عندما تتسارع كتلة زلزالية معلقة عليها. وتسمى هذه الأجهزة بالنظم الالكتروميكانيكية الصغرية (MEMS)، وهي تُصنّع بواسطة تكنولوجيا السيليكون المماثلة لتلك التي تُناقش في الفصل 4. وتَحِل أجهزة MEMS محل مقاييس التسارع الكوارتزية وتُستعمل على سبيل المثال في الهواتف الجوالة لالتقاط اتجاه الهاتف.
تُستعمل بلورات الكوارتز الأحادية في أجهزة كهرضغطية مختلفة متعددة، لكن ما الذي يقود إلى الكهرضغطية؟ لماذا يكون الكوارتز كهرضغطياً بينما لا يكون كذلك عدد من الفلزات الأخرى؟
في معظم المواد، هناك تعادل بين الشحنة الموجبة للنواة والشحنة السالبة للالكترونات في الذرات التي تُشكل المادة. ومن أجل أن تُظهر صفيحة الكوارتز تلقائياً استقطاباً كهربائياً كنتيجة لانضغاطها، يجب كسر هذا التعادل.
ويجب أن تنزاح الشحنة الموجبة الصافية بالنسبة للشحنة السالبة الصافية في المادة. وكي يحصل ذلك، يجب أن تختلف ذاتياً المادة الكهرضغطية عن المادة غير الكهرضغطية ويرتبط ذلك الاختلاف بتناظر المادة.
[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]