1. Einleitung. Jedes Gerät, das nichtelektrische Größen in elektrische Größen umwandelt, wird als Sensor bezeichnet. Er dient der Informationserfassung, -umwandlung, -steuerung und -übertragung. Quarzsensoren lassen sich anhand ihrer Anwendung, Struktur und Form grob in mechanische Sensoren, Allzwecksensoren, chemische Sensoren und Biosensoren (z. B. für den DNA-Nachweis) einteilen. Quarz-Druck-Temperatur-Sensoren sind ein typisches Beispiel für mechanische Allzwecksensoren. Sensoren bestehen im Allgemeinen aus einem Sensorelement, einem Messelement und einer Messschaltung. Das Sensorelement eines Quarzsensors ist ein Quarzkristall. Das Prinzipblockdiagramm eines Quarzsensors ist in Abbildung 1 dargestellt. Hauptbestandteil von Quarzkristall ist Siliziumdioxid mit einer Dichte von 2,65 × 10³ kg/m³, einer Mohs-Härte von 7, einem Schmelzpunkt von bis zu 1750 °C und geringer Wasserlöslichkeit. Quarzsensoren zeichnen sich durch gute Langzeitstabilität, einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, einen großen linearen Bereich, hohe Wiederholgenauigkeit, geringe Hysterese, keinen pyroelektrischen Effekt, exzellente dynamische Eigenschaften und eine stabile Schwingungsfrequenz aus, was ihren Ersatz durch andere Materialien erschwert. Quarzsensoren basieren auf dem piezoelektrischen und inversen piezoelektrischen Effekt von Quarzkristallen sowie dem Prinzip, dass Änderungen bestimmter physikalischer und chemischer Größen Änderungen ihrer Frequenz und ihres Q-Faktors (bzw. ihres äquivalenten Widerstands) bewirken. Sie bieten einzigartige Vorteile wie hohe Präzision, gute Empfindlichkeit, einen großen Messbereich, schnelle Reaktionszeit und digitale Ausgabe. Da der Kristall ein frequenzgesteuertes Element ist, ermöglicht er die inhärente Digitalisierung (Ausgabe in Form einer Frequenz). Wenn die absolute Frequenzabweichung linear mit dem Messinhalt korreliert, ist die digitale Verarbeitung einfach und komfortabel. Die digitale Ausgabegröße ist stabil und zuverlässig, lässt sich problemlos mit Computern verbinden und eignet sich für die Digitalisierung von Sekundärgeräten. Im Vergleich zu analogen Größen weisen digitale Größen eine höhere Störfestigkeit auf, eignen sich für die Übertragung über große Entfernungen und eliminieren den komplexen Schritt der Analog-Digital-Wandlung und die damit verbundenen Fehler. Da Quarzkristalle auch über ausgezeichnete kurz- und langfristig stabile Frequenzeigenschaften verfügen, kann die Auflösung des Sensors um mehrere Größenordnungen verbessert und die Anzahl der Sensorkalibrierungen reduziert werden. 2. Mechanische Quarzkristallsensoren Mechanische Quarzkristallsensoren werden hauptsächlich zur Messung von Weg, Geschwindigkeit, Kraft, Elastizität, Gewicht usw. eingesetzt. Zu den typischen Sensoren gehören Quarzkristall-Kraftmessgeräte, Quarzkristall-Druckmessgeräte, Quarzkristall-Beschleunigungsmesser, Quarz-Resonanzgravimeter und Quarz-Differenzfrequenzgravimeter. 2.1 Quarzkristall-Kraftmessgeräte Quarzkristall-Kraftmessgeräte, die auf dem Prinzip des piezoelektrischen Effekts basieren, sind unabhängig von der Größe der Kontaktfläche. Wird ein Quarzkristall einer Kraft ausgesetzt, verformt er sich mechanisch und bildet gebundene Ladungen auf seiner Oberfläche. Die Größe der Ladung ist proportional zur Kraft, sodass die Kraft durch Messung der Oberflächenladung angezeigt werden kann. Die meisten Quarzkristall-Kraftmessgeräte verwenden X- oder AT-geschnittene Kristalle mit einem hohen piezoelektrischen Koeffizienten. Die piezoelektrische Gleichung des X-geschnittenen Kristalls lautet: qX = d11FX (1), wobei d11 die piezoelektrische Konstante, FX der in X-Richtung wirkende Druck und qX die Ladung in der Ebene senkrecht zur X-Achse ist. Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Kraft durch Anpassung an einen geeigneten Ladungsverstärker gemessen werden kann. Quarz-Kraftmessgeräte sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Das aktuell entwickelte ringförmige Quarz-Kraftmessgerät besteht aus zwei Quarzkristallplättchen und zwei ringförmigen Quarzmassenblöcken, zwischen denen eine Metallplatte als Elektrodenanschluss angeordnet ist. Die zweite Elektrode verbindet den Kristall mit dem Gehäuse. Der Messbereich liegt zwischen 100 kg und 105 kg. Kraftmessgeräte werden hauptsächlich zur Messung der Schnittkraft von Werkzeugmaschinen, der tatsächlichen Belastung von Werkzeugen, der Rückstoßkraft von Geschützen, des Schubs von Raketenstarts und von Alarmanlagen in Seilbahnen eingesetzt. Beispiele hierfür sind die vom Shanghai Testing Institute entwickelte Kraftmessscheibe (mit einem Kraftmessbereich bis hinunter zu ca. 100 N) und die in der Schweiz hergestellte Kraftmessplattform 9257A. 2.2 Quarz-Druckmessgeräte Quarz-Druckmessgeräte, auch Quarz-Drucksensoren genannt, basieren auf dem piezoelektrischen Effekt (durch äußere Druckeinwirkung wird eine Ladung auf der Oberfläche eines Quarzkristalls erzeugt, die anschließend verstärkt wird) oder der Eigenschaft, dass sich die Frequenz eines Quarzkristalls mit der äußeren Kraft ändert. Üblicherweise werden 5-MHz-Quarzkristalle vom Typ AT oder SC verwendet. Die Gleichung für die Ladungsempfindlichkeit lautet: (2) Dabei ist F die äußere Last auf den Kristall, Q die Gesamtladung und dmj die piezoelektrische Konstante. Der theoretische Ausdruck für die Kraft-Frequenz-Kennlinie lautet: (3) Dabei ist F die Kraft, t die Kristalldicke, No die Frequenzkonstante und kf der Kraft-Frequenz-Koeffizient. Gängige Kristallschliffarten sind AT-, BT- und Dreh-X-Schliff. Die meisten dieser Sensoren sind Membranstrukturen. Ein zylindrischer Quarz-Drucksensor (QPT) besteht beispielsweise aus einer Membran, einem Quarzkristall und einem Gehäuse. Der Druck wird über die Metallmembran an der Oberseite auf den Quarzkristall übertragen. Quarz-Druckmessgeräte werden hauptsächlich für meteorologische Messungen, Gezeiten- und Tsunamiwarnungen, Schiffsgrafik, Triebwerke und weitere Anwendungen eingesetzt. Das Druckmessgerät Hewlett-Packard 2811B zeichnet sich durch eine Empfindlichkeit von 105 Hz/6,9 kPa, einen Messbereich von 0–82,7 MPa, einen Betriebstemperaturbereich von 0 °C–150 °C, einen Druckkalibrierbereich von 1,4 MPa–75,9 MPa, eine Wiederholgenauigkeit von ±2,76 kPa und eine Genauigkeit von ±0,025 % (Temperaturänderung < 1 °C) aus. Das Schweizer Unternehmen Kistler stellt Quarz-Drucksensoren zur Zylinderdruckmessung mit einem maximalen Messbereich von 300 MPa–400 MPa her. 2.3 Quarz-Beschleunigungsmesser: Quarz-Beschleunigungsmesser basieren auf dem Prinzip des Zusammenhangs zwischen Resonanzfrequenz und Trägheitskraft. Die Empfindlichkeitsformel lautet SW = SF · m, wobei m die Masse (üblicherweise 1 g–500 g) und SF die Kraft-Frequenz-Empfindlichkeit ist. Quarzkristalle sind in der Regel vom AT- und X-Schnitt und zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit, gute Linearität, geringes Gewicht und digitale Ausgabe aus. Dadurch eignen sie sich ideal zur Messung von Vibrationen und Stößen. Quarz-Beschleunigungsmesser werden im Allgemeinen in lineare Beschleunigungsmesser und Vibrations-/Stoß-Beschleunigungsmesser unterteilt. Es gibt auch Servo-Beschleunigungsmesser, die die mechanischen Eigenschaften von Quarzkristallen anstelle ihrer piezoelektrischen Eigenschaften nutzen, um einen kapazitiven Sensor zu realisieren. Zu den aktuell entwickelten Quarz-Beschleunigungsmessern gehören Kompressions-, Cantilever- und Membran-Beschleunigungsmesser. Beim Membran-Beschleunigungsmesser ist der Kristall in einer mit trockenem Stickstoff gefüllten Membrankammer eingeschlossen. Das bewegliche Ende der Membrankammer wird an das freie Ende des Kristalls angelegt und eine externe Last aufgebracht, wodurch ein Membransensor entsteht. Quarz-Beschleunigungsmesser werden zur Messung der Normal-, Längs- und Querbeschleunigungen von Raketen und Raumfahrzeugen sowie zur Erfassung und Regelung der Beschleunigung in Fahrzeugen wie Autos und Schiffen eingesetzt. Ein typischer Quarz-Beschleunigungsmesser weist eine Empfindlichkeit von ca. 200 Hz/G, eine Auflösung von besser als 10⁻³ G, eine Nichtlinearität von 1 % und eine laterale Empfindlichkeit von < 2 % auf. Kragarm-Quarz-Beschleunigungsmesser verwenden Stimmgabelkristalle (Z-Schnitt) mit einer Frequenz von 70 kHz oder 71 kHz, t = 0,15 mm, W = 0,18 mm, P = 2650 kg/m³ und E = 7,8 × 10¹⁰ Pa. 2.4 Quarz-Resonanzgravimeter: Die Schwerkraft wird durch Messung der Frequenz eines Quarzkristalls bestimmt. Der Quarzkristall in einem Quarzresonanzgravimeter hat eine Frequenz von 20,0006 MHz. Er wird zwischen einem schweren Gewicht und einem Wiegehammer platziert, wodurch sich die Resonanzfrequenz seines Oszillators ändert. Die Schwerkraft kann durch Messung dieser Frequenz bestimmt werden. Das Verfahren findet hauptsächlich Anwendung in der Meeresforschung, geologischen Untersuchungen und der Erdölexploration und weist einen absoluten Fehler von ±4 × 10⁻⁶ m/s² auf. 2.5 Quarz-Differenzfrequenzgravimeter: Die Frequenzänderung eines Quarz-Differenzfrequenzgravimeters hängt von der Stärke und Richtung der einwirkenden Kraft ab. Auch hier wird die Frequenz des Quarzkristalls gemessen, um die Kraft zu bestimmen. Das Gerät besteht im Wesentlichen aus einem Kraftsensor, einem Quarzkristall, einem selbsterregten Oszillator, einem Mischer, einem Differenzfrequenzverstärker und einem elektronischen Frequenzzähler. Der Quarzkristall hat eine Frequenz von 5 MHz, und der absolute Fehler beträgt 3 × 10⁻⁵ m/s². 3. Universelle Quarzsensoren: Universelle Quarzsensoren werden hauptsächlich zur Messung von Temperatur, Feuchtigkeit, Wärme, Magnetismus, Farbe usw. eingesetzt. Typische Beispiele sind Quarzthermometer und Quarzhygrometer. 3.1 Quarzthermometer Die Frequenz-Temperatur-Kennlinie eines Quarzkristalls lautet: f = fO(1 + aΔT + bΔT² + cΔT³). Durch die Wahl eines geeigneten Fasenwinkels, der die Koeffizienten b und c nahe an Null bringt, lässt sich die Linearität der Frequenz-Temperatur-Kennlinie verbessern. Quarzthermometer basieren auf diesem Prinzip. Der ursprünglich verwendete Typ war der +5°Y-Schliff. Später entwickelten die USA den LC-Schliff mit hervorragenden Temperatureigenschaften, Japan den NL-Schliff, und Details des von Toyo Communication entwickelten -31,5°Y-Schliffs sind in Tabelle 1 dargestellt. Quarztemperatursensoren werden hauptsächlich in Industrie, Landwirtschaft, Militär, Wissenschaft und Umwelt eingesetzt. Zu den inländischen Herstellern von Quarzthermometern gehört unter anderem das Shanghai Testing Institute. 3.2 Quarzkristall-Feuchtigkeitssensoren: Quarzkristall-Feuchtigkeitssensoren basieren auf dem Prinzip, dass sich die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls mit der Luftfeuchtigkeit ändert. Absolute Quarzkristall-Feuchtigkeitssensoren dienen hauptsächlich dem Nachweis von Spurenmengen an Wasser in der Gasphase. Das Messprinzip beruht auf mikroporöser physikalischer Adsorption. Typischerweise wird eine poröse Al₂O₃-Schicht als Sensormembran verwendet; je dichter und tiefer die Poren, desto größer die Sensormembranfläche und desto höher die Empfindlichkeit. Die durchschnittliche Porengröße beträgt ca. 1000 Å (Einheit: 10⁻⁶). Relative Quarzkristall-Feuchtigkeitssensoren dienen hauptsächlich der Bestimmung des Sättigungsgrades der Gasphase bei Umgebungsfeuchtigkeit. Beispielsweise ergibt die Beschichtung eines rechteckigen AT-geschnittenen Blechs mit einem Sulfonsäure-Copolymer bei einer Frequenz von 10 MHz und einer Größe von 6 mm × 1,5 mm eine Fläche von 3 mm² und eine Empfindlichkeit von -7,7 Hz/mg. Chemische Sensoren auf Quarzbasis werden hauptsächlich zur Messung von Masse, Konzentration, Dichte, Geruch usw. eingesetzt. Typische Beispiele sind Quarzdichtesensoren, Quarz-Feuchtemessgeräte mit Schwingfunktion, Quarzkonzentrationssensoren und Quarz-Geruchssensoren. 4.1 Quarzdichtesensor: Dieser Sensor basiert auf dem Prinzip, dass sich die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls mit der Dichte des zu messenden Objekts ändert (bei niedrigem Druck ist die Luftdichte um mehr als eine Größenordnung geringer als die atmosphärische Dichte). Zu den aktuell entwickelten Quarzdichtesensoren gehören Kolben-, Membran- und Metallmembransensoren. Üblicherweise wird ein 10-kHz-Stimmgabelquarz verwendet, mit einem Messbereich von 290 Pa bis 930 Pa, einer Empfindlichkeit von 1 % und einer Dichteänderungsrate von -17 % bis 26,7 %. 4.2 Quarz-Oszillationsfeuchteanalysator: Basierend auf den physikalisch-chemischen Eigenschaften von Quarzkristallen und dem piezoelektrischen Effekt ist die Oszillationsfrequenz eines Quarz-Oszillationsfeuchteanalysators umgekehrt proportional zur adsorbierten Feuchtigkeitsmenge der feuchtigkeitsempfindlichen Membran. Die Frequenzänderung des Quarzkristalls beträgt Δf = -2,3 × 10⁶f²ΔM/A, wobei ΔM die von der Membran erfasste Feuchtigkeitsmenge, f die Frequenz des Quarzkristalls und A die Membranfläche ist. Eine auf der Gewichtsdifferenz ΔM und der Frequenzdifferenz Δf basierende digital-analoge Messschaltung kann die Feuchtigkeitskonzentration digital anzeigen. Der üblicherweise verwendete Quarzkristall ist eine 9-MHz-AT-geschnittene Goldelektrode mit einer feuchtigkeitsempfindlichen Beschichtung. Japanische Feuchteanalysatoren dieses Typs tragen die Bezeichnungen MAH-50 und MAH-50D und werden hauptsächlich zur Analyse wasserlöslicher Verunreinigungen eingesetzt. 4.3 Quarzkristall-Geruchsidentifizierer: Geruchsidentifizierer basieren auf dem piezoelektrischen Effekt von Quarzkristallen und simulieren den menschlichen Geruchssinn. Sie bestehen hauptsächlich aus einem Quarzkristall und einer Lipiddoppelschicht. Durch Veränderung der Molekularstruktur der Lipiddoppelschicht lassen sich Substanzen mit entsprechenden Aromen, Bitterkeit oder unangenehmen Gerüchen identifizieren. Beispielsweise ist ein in Japan entwickelter Weingeruchssensor mit sechs verschiedenen empfindlichen Filmen beschichtet, die sechs unterschiedliche Frequenzänderungen ausgeben. Diese Änderungen werden anschließend von einem neuronalen Netzwerk-basierten Mikrocomputer-Erkennungssystem verarbeitet, um die Weinkonzentration zu bestimmen. Üblicherweise wird ein 9-MHz-AT-geschnittener Quarz verwendet, dessen Elektrodenfilm mit einer synthetischen Lipiddoppelschicht beschichtet ist. 4.4 Quarzkristall-Konzentrationssensoren nutzen den Mikrowaageneffekt von Quarzkristallen. Eine chemische Substanz wird auf die Oberfläche des Quarzkristalls aufgebracht. Diese Substanz adsorbiert atmosphärische Stoffe wie NH₃, H₂S, HCl, NO₂, CO₂, CO und H₂, wodurch sich die Filmmasse und somit die Massenbeladung des Quarzkristalls ändert. Dies führt zu einer Frequenzänderung und einer absoluten Frequenzabweichung. Üblicherweise werden kreisförmige AT- oder BT-geschnittene Quarzscheiben verwendet. Dieser Schnitt beeinflusst die Oberflächenbeladung maßgeblich; beispielsweise zeigt ein Quecksilbersensor, der Quecksilber in der Luft in Konzentrationen von 10⁻⁶ bis 10⁻⁹ nachweisen kann, eine starke Adsorption von Quecksilbermolekülen an einer Goldelektrode, während andere Substanzen eine gute chemische Stabilität aufweisen. Die Adsorptionsfläche beträgt 0,5 cm². Quecksilberanalysatoren, Quecksilberdampf-Überwachungssysteme, CO-Sensoren und Gasanalysegeräte wurden bereits erfolgreich entwickelt. 5. Quarz-Druck- und Temperatursensoren: Quarz-Druck- und Temperatursensoren sind universell einsetzbare mechanische Sensoren, die mechanische und universelle Sensortechnologien vereinen. Der Quarzkristall ist über Brücken an beiden Enden mit der Oberfläche eines zylindrischen Rohrs verbunden. Zwei Zungen mit Metallelektroden befinden sich an den Endkappen, nahe der Oberfläche des Quarzkristalls. Das zylindrische Rohr ist mit einem Inertgas gefüllt, und der Quarzkristall besitzt eine zylindrisch gekrümmte Oberfläche. Üblicherweise wird ein SC-Sensor verwendet. Im C-Modus weist er einen Detektionsdruck von 616,89 kg, eine Kraft-Frequenz-Empfindlichkeit von 66,47 Hz/kg, eine Auflösung von 0,015 kg/Hz und einen Temperaturbereich von 0 °C bis 200 °C auf. Im B-Modus hat er einen Frequenz-Temperatur-Koeffizienten von -25 × 10⁻⁶/°C und eine Auflösung von 0,007 °C/Hz. Bei Anregung und Schwingung des SC-Sensors werden die Signale im B- und C-Modus verstärkt und einem Filter zugeführt, wodurch in einer Impulsschaltung Impulssignale entstehen. Diese Signale werden anschließend einem Mikroprozessor zur digitalen Anzeige von Druck und Temperatur zugeführt. Dieser Sensortyp wird hauptsächlich zur Messung von Druck und Temperatur in Flüssigkeiten eingesetzt. 6. Quarzkristall-DNA-Biosensoren: Basierend auf dem Prinzip, dass minimale Druckänderungen an der Oberfläche eines Quarzkristalls dessen Resonanzfrequenz verändern, können Quarzkristalle als Wandler eingesetzt werden. ssDNA-Sonden werden auf der Oberfläche der Quarzkristallelektrode fixiert und in eine Lösung mit den Ziel-ssDNA-Molekülen eingetaucht, wodurch doppelsträngige DNA (dsDNA) entsteht. Dies führt zu einer Frequenzänderung des Quarzkristalls. Die Schwingungsfrequenz ist umgekehrt proportional zur Masse, die an der Elektrodenoberfläche haftet. Durch die Messung dieser Frequenz kann DNA nachgewiesen werden. 7. Fazit: Mit dem Beitritt meines Landes zur WTO finden mikrocomputergesteuerte Instrumente und Geräte immer breitere Anwendung und Verbreitung. Digitale Quarzkristallsensoren, die sich problemlos mit Computern verbinden lassen, werden zweifellos eine breite Anwendung und Weiterentwicklung erfahren. Mit der kontinuierlichen Miniaturisierung von Quarzkristallchips werden sich auch Quarzkristallsensoren in Richtung Chipminiaturisierung und weiterer Miniaturisierung entwickeln. Die Perspektiven für Quarzkristallsensoren sind vielversprechend.