A. Principio de funcionamiento - Microbalanzas de Cuarzo

En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar una tensión mecánica sobre la superficie de diferentes cristales, entre ellos el cuarzo, se origina un potencial eléctrico a través del cristal, cuya magnitud es proporcional a la tensión aplicada. Este comportamiento se conoce como el efecto piezoeléctrico, aquellos que cristalizan en grupos espaciales que no tienen un centro de simetría. Un cristal de un material acéntrico posee un eje polar debido a los dipolos asociados a la disposición de los átomos en la red cristalina. La tensión aplicada provoca un desplazamiento de los átomos del cristal y por tanto de los dipolos, generándose una carga eléctrica. El efecto es reversible, es decir, al aplicar una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico se producen en él tensiones mecánicas que dan lugar al desplazamiento de partículas y a la aparición de ondas acústicas. Este efecto es el principio teórico del funcionamiento de la microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (QCM).

Figura5. Microbalanza de Cuarzo QCM.

Un sensor tipo QCM consiste en un disco delgado de cuarzo entre dos electrodos. Dadas las propiedades piezoeléctricas y orientación cristalográfica del cuarzo, mediante la aplicación de un voltaje entre los electrodos se produce una deformación del cristal. El cristal puede ser excitado hasta la resonancia cuando la frecuencia sea tal que el grosor del cristal es un número entero N de veces media longitud de onda. La frecuencia de resonancia del cristal depende de la masa total resonante, cuando se deposita una capa delgada y rígida. La variación de la frecuencia es proporcional a la cantidad de masa añadida y el sensor tipo QCM opera como una balanza sensible. Si la frecuencia de oscilación era fO, el área del cristal A, su densidad p. y la masa depositada Am. El desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey,

Normalmente, los QCM tienen incorporados un circuito oscilador donde la frecuencia de oscilación va disminuyendo conforme se va acumulando masa sobre la superficie del diseño. Estas microbalanzas tienen la capacidad de dar soluciones a un cierto número de medidas como monitorización del depósito del material sensible, detección de especies, degradación de mezclas complejas, detección cromatográfica de líquidos, y análisis electroquímicos. También ha sido demostrado como los QCM pueden operar en contacto con líquidos.
Kanazawa y Gordon han mostrado que los QCM pueden ser sensibles a la viscosidad y densidad de la solución en contacto. Sin embargo, la medida de la frecuencia de resonancia en si misma no puede distinguir cambios másicos de los cambios en las propiedades de la disolución. Cuando la admitancia se mide en un rango de frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia, los QCMs bien caracterizados pueden diferenciar entre estos mecanismos de carga.

Circuito Equivalente
El sistema formado por el cristal junto con los dos electrodos y el oscilador puede simularse por el circuito equivalente de la figura.

Figura 6. Circuito Equivalente de una Sensor QMC.

La curva de impedancia obtenida se ajusta al circuito y los parámetros que se obtienen se usan para calcular valores tales como la frecuencia de resonancia, el factor de calidad Q y la disipación D.