2021 Sensor-Technologien Band 3: Stoffmenge, Konzentration, Analytik
Authors:
Marcus Wolff
Journal:
Sensor-Technologien DOI: 10.1515/9783110702040-011
Institute:
HAW Hamburg
Abstract:
Piezoelektrische Quarzsensoren sind massensensitive Sensoren, die zur Bestimmungvon Stoffkonzentrationen in Gasen und Flüssigkeiten genutzt werden. Sie gehörenim weiteren Sinne zu den gravimetrischen Sensoren und werden auch als Quarzkristallmikrowaagen (QCM – Quartz Crystal Microbalance), Quarzresonanzsensoren(QMB – Quartz Microbalance) oder akustische Volumenwellenschwinger (BAW – BulkAcoustic Wave) bezeichnet. Dieser Sensortyp beruht, genau wie die SAW-Sensoren(siehe Kapitel 10), auf dem piezoelektrischen Effekt, welcher 1880 von den BrüdernPaul-Jacques und Pierre Curie entdeckt wurde. Dieser beschreibt die Änderung derelektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an bestimmten Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter piezoelektrischerEffekt). Ein Jahr später wurde die Umkehrwirkung des Effekts von Gabriel Lippmannvermutet und kurz darauf auch experimentell von den Curie-Brüdern nachgewiesen(inverser piezoelektrischer Effekt). Im Jahr 1958 wurde von Günter Sauerbrey der Zusammenhang zwischen der Änderung der Masse eines Quarzschwingers und seinerResonanzfrequenz hergeleitet. Dies erlaubte die exakte Messung von Massenbeladungen eines Resonators [207].Im folgenden Abschnitt wird das Messprinzip piezoelektrischer Quarzsensorenerläutert. Dabei wird zunächst auf die theoretischen Grundlagen eingegangen undnachfolgend auf Quarzkristallmikrowaagen und die Ausführung entsprechender Sensoren. Im Anschluss daran werden typische Anwendungsgebiete dieses Sensortypspräsentiert. Darauffolgend werden beispielhaft kommerzielle Produkte vorgestellt. Eine Zusammenfassung schließt dieses Kapitel ab.