Utilisateur:RM77/Brouillon
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Une QCM, c'est quoi ?
La piézoélectricité n'a pas attiré beaucoup de gens à ses débuts, et la première étude sérieuse sur le sujet eut seulement lieu en 1917 quand il fut montré que les cristaux de quartz pouvaient être utilisés comme transducteurs et récepteurs d'ultrasons dans l'eau. En 1919 plusieurs appareils de tous les jours basés sur la piézoélectricité du sel de Rochelle furent inventés, comme des hauts-parleurs, microphones et récupérateurs de son. En 1921 le premier oscillateur à quartz contrôlé vit le jour. Ces premiers oscillateurs étaient basés sur des cristaux en coupe X, qui avaient le défaut d'être très sensible à la température. En conséquence, les cristaux en coupe X sont maintenant utilisés dans des appareils où le grand coefficient de température n'a pas d'importance, comme par exemple les transducteurs des sonars spaciaux.
La dominance du quartz sur tous les types de contrôle de fréquence commenca en 1934 quand la coupe AT fut introduite. L'avantage de la coupe AT est qu'il n'y a presque aucune modification de la fréquence dûe à la température environnante. Depuis le début de l'utilisation des résonateurs à quartz comme éléments de contrôle de la fréquence, il était commun d'augmenter la fréquence du résonateur en dessinant des marques au crayon sur les électrodes, ou de diminuer la fréquence en frottant les électrodes avec une gomme. La compréhension de la modification de fréquence dûe à une variation de masse était seulement qualitative. Cependant, en 1959, Sauerbrey publia un papier qui montrait que la variation de fréquence d'un résonateur à quartz est directement proportionelle à la masse ajoutée. Les travaux de Sauerbrey sont généralement pris comme la première étape de l'utilisation d'un nouvel outil pour mesurer de très petites masses, la microbalance à cristal de quartz.
Donc, on peut définir la QCM comme une balance ultra-sensible. Le coeur de la QCM est le cristal de quartz de coupe AT pris en sandwitch entre une paire d'électrodes. Quand les électrodes sont connectés à un oscillateur et qu'un courant alternatif est appliquée sur les électrodes, le cristal commence à osciller à sa fréquence de résonance grâce à l'effet piézoélectrique. (voir figure plus bas). Cette oscillation est généralement très stable grâce à la grande qualité de l'oscillation (facteur de qualité élevé).
Si une couche rigide est uniformément déposée sur une ou sur les deux électrodes, la fréquence de résonance va diminuer proportionellement à la masse de la couche d'après l'équation de Sauerbrey :
avec :
- f0 – Fréquence de résonance (Hz)
- Δf – Variation de fréquence (Hz)
- Δm – Variation de masse (g)
- A – Surface active du cristal (Aire entre les électrodes, m2)
- ρq – Densité du quartz (ρq = 2.648 g/cm3)
- μq – Module de cisaillement du quartz pour un cristal en coupe AT (μq = 2.947x1011 g/cm.s2)
Il y a des situations où l'équation de Sauerbrey ne marche pas : par exemple, quand la masse ajoutée a) n'est pas déposée rigidement sur la surface de(s) l'électrode(s) ; b) glisse sur la surface ; c) n'est pas déposée uniformément sur l'électrode. Par conséquent, l'équation de Sauerbrey est uniquement applicable aux dépôts uniformes, rigides et fins. A cause de ca, la QCM fut pendant de longues années simplement considérée comme un détecteur de masse de phase gazeuse ; jusqu'aux années 1980 où des scientifiques réalisèrent qu'un cristal de quartz peut être excité pour donner une oscillation stable quand il est complètement immergé dans un liquide. Une grande partie des travaux pionniers furent réalisés par Kanazawa et ses équipiers, qui montrèrent que le changement dans la fréquence de résonance d'une QCM allant de l'air dans un liquide est proportionelle à la racine carrée du produit de la viscosité et de la densité du liquide :
avec :
- f0 – Fréquence de résonance quand le cristal est déchargé (Hz)
- Δf – Variation de fréquence (Hz)
- ρq - Densité du quartz (ρq = 2.648 g/cm3)
- μq – Module de cisaillement du quartz pour un cristal en coupe AT (μq = 2.947x1011 g/cm.s2)
- ρL - Densité du liquide
- ηL - Viscosité du liquide
Plus tard il a été prouvé qu'une charge visqueuse excessive ne prohibait pas l'utilisation de la QCM dans les liquides : la réponse de la QCM est toujours très sensible aux variations de masse.
Applications de la QCM
La QCM est un appareil permettant de mesurer d'infimes variations de masse sur un résonateur de quartz en temps réel. La sensibilité de la QCM est approximativement 100 fois plus élevée qu'une balance électronique fine avec une sensibilité de 0.1 mg. Cela signifie que les QCM sont capables de mesurer des variations de masse aussi petites qu'une fraction d'une monocouche ou d'une couche simple d'atome. Cette très haute sensibilité et le suivi en temps réel des variations massiques sur le cristal font de la QCM un produit très attractif pour un large panel d'applicatoins. Le développement de systèmes QCM pour l'usage dans des fluides ou avec des dépôts visco-élastiques a énormément accru l'intérêt envers cette technique. L'avantage majeur de la technique de la QCM dans un liquide est que cela permet une détection des molécules inconnues.
