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利用石英晶振作為微力傳感器的原理進行分析講解
晶振是為電路提供基準頻率信號源的一種頻率元件,在前面的文章中億金電子有提到過關(guān)于石英晶振晶片的選擇,晶振刻蝕的影響,晶振片的生產(chǎn)材料等信息,那么下面要給大家說的是利用石英晶振作為微力傳感器的分析講解.
在非接觸測量模式中,微懸臂是要靠壓電驅(qū)動器進行AC驅(qū)動來做小幅的振動,隨著其進一步的發(fā)展,人們把目光開始轉(zhuǎn)向壓電材料,當石英等材料受到應變時會產(chǎn)生電荷,而當在這些材料上施加電場時,其幾何尺寸就會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓電效應I18。1990年公司GrutterP等提出了可以將微懸臂粘附在雙晶片之間以產(chǎn)生穩(wěn)定性很好的高頻振蕩信號,從而對由于力梯度的作用下懸臂的形變信號進行頻率調(diào)制,通過解調(diào)就可以獲得表面形貌,研究顯示了在固定帶寬的情況下,靈敏度可提高2倍以上。
1991年TR.Albrech等采用在片層壓電材料表面刻蝕出針尖來取代傳統(tǒng)的用si材料做成的微懸臂201.由于壓電材料能將機械振動特性的變化直接轉(zhuǎn)化為電荷變化,因此不需要激光測微儀,但用其制作的微懸臂品質(zhì)因數(shù)Q值(約200)較低,使得分辨率有待提高,而且在片層壓電材料表面刻蝕出針尖的成本太高。因此必須使用一種高品質(zhì)因數(shù)的壓電材料的傳感器以提高信噪比。
使用針式傳感器的想法在1988年就產(chǎn)生了,當時因為測量集成電路的需要,研究人員曾經(jīng)試圖模仿傳統(tǒng)的輪廓儀,將一個針尖制作成圓弧半徑可達nm級,這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長,以獲得大約相當于光波長的百分之一的測量精度。但是這需要解決兩個問題:針尖的制備和測量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探討了使用石英音叉晶振作為傳感器的可能性，將音叉的一個角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會隨著逼近距離的變化而變化,證明了使用石英晶振作為傳感器,是一個很有希望的發(fā)展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測量中,其針尖的制備使用了機械蝕刻金剛石的方法為了檢測針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個高靈敏度的1MHEZ桿狀晶振上,晶振的諧振參數(shù)的變化可以被相應的電路檢測出來。
1995年, A Michels等報道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達到了50nm,水平分辨率達到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。隨著研究的進一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應用。M.Todorovic等在1998年報道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在石英音叉的一支腳上粘附一個經(jīng)過磁化的非常細小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉晶振的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。
國內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計量科學研究院與西德的合作項目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實驗室也在這一領(lǐng)域進行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。
從上述發(fā)展歷程可以看出,使用貼片晶振,石英晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測試方法上具有獨到的優(yōu)勢,因此是一個很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進一步深入,它的測量精度有可能進一步提高,這對于工業(yè)界和實驗室來說,是一個性價比很高的測量儀器,對于科學試驗和工業(yè)應用都具有很大的價值。
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