石英晶體微天平的基頻重要嗎?
瀏覽次數(shù):6031 發(fā)布日期:2019-4-10
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石英晶體微天平的基頻重要嗎?
在石英晶體微天平儀器的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)描述中,總是會(huì)以基頻為參考指標(biāo)。 常見(jiàn)的基頻為5-10 MHz,也可以是15 MHz、30 MHz甚至更高;l真的重要嗎?我們將在此文中詳細(xì)說(shuō)明并解釋石英晶體微天平的基頻對(duì)測(cè)量的意義。
與石英晶體微天平基頻相關(guān)的屬性和性能
石英晶體微天平的基頻f0指的是石英晶體可以被激發(fā)引起振蕩的最低頻率。這個(gè)特定頻率與幾個(gè)關(guān)鍵屬性相關(guān),例如:
- 芯片厚度,h
- 理論質(zhì)量靈敏度,C
- 傳感深度,δ
- 諧頻共振頻率
1. 芯片厚度
如式(1)所示,基頻與芯片的厚度h成反比。基頻越高,芯片越薄。例如,一個(gè)5 MHz的芯片厚度約為334μm,一個(gè)10 MHz的芯片厚度為其一半,厚度約為167 μm。
2. 理論質(zhì)量靈敏度
如式(2)所示,根據(jù)Sauerbrey方程,石英晶體微天平的質(zhì)量靈敏度C與基頻的平方成反比。理論上,這意味著基頻越高,靈敏度越好,即可以檢測(cè)到更小的質(zhì)量變化。例如,5 MHz和10 MHz芯片的理論質(zhì)量靈敏度分別為17.7 ng/cm
2和4.4 ng/cm
2,這意味著10MHz芯片對(duì)給定表面質(zhì)量的頻率響應(yīng)是5MHz芯片的4倍。
從靈敏度的角度來(lái)看,高的基頻似乎非常可取。然而,在實(shí)踐中,事情并非如此簡(jiǎn)單。有幾個(gè)因素使得高基頻并不是更好的選擇。
首先,如前所述,基頻越高,芯片越薄。當(dāng)基頻高到一定程度時(shí),芯片會(huì)變得非常薄和脆弱,以至于無(wú)法獨(dú)立使用
1。
其次,頻率越高,測(cè)量時(shí)的噪聲越大。這有幾個(gè)原因: 一是制造過(guò)程中,芯片的平整度和厚度缺陷是無(wú)法完全避免的。芯片的厚度越薄,對(duì)共振質(zhì)量的負(fù)面影響越大。 此外,驅(qū)動(dòng)和測(cè)量電子設(shè)備中的噪聲水平隨頻率的增加而上升,從而導(dǎo)致測(cè)量的不確定性。
考慮到上述情況,人們可能會(huì)認(rèn)為厚的芯片(低基頻)是理想的。 然而,事情也并非那么簡(jiǎn)單。 所有晶體都有例如位錯(cuò)和雜質(zhì)等缺陷。 這些缺陷會(huì)對(duì)共振質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響,缺陷越少越好。 從這個(gè)角度來(lái)看,人們會(huì)喜歡與厚晶體相比具有較少缺陷的薄晶體。 因此,我們通常需要在芯片的厚度上進(jìn)行綜合權(quán)衡。
綜上所述,理論靈敏度高與更好的質(zhì)量檢測(cè)限不具有直接相關(guān)性。信噪比和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等因素更為重要,這將決定您的測(cè)量結(jié)果質(zhì)量。
3. 傳感深度
第三個(gè)與共振頻率相關(guān)的參數(shù)是傳感深度δ。如式(3)所示,它與振蕩頻率的平方根成反比。 頻率越高,檢測(cè)到的薄膜層最大厚度就越薄。 例如,室溫下,5,10和30MHz晶體的剪切波在水中的穿透深度分別為~250nm,~180nm和~100nm。
4. 諧頻頻率
最后需要考慮的一點(diǎn)因素是共振諧頻。 為了對(duì)QCM的數(shù)據(jù)進(jìn)行粘彈性模型分析,需要使用多個(gè)諧頻的頻率和耗散信息。 對(duì)于傳統(tǒng)的QCM,晶體在厚度-剪切模式下振蕩,只能激發(fā)奇次諧頻,即諧頻是基頻的奇數(shù)倍。 例如,要獲得5 MHz芯片的7個(gè)多倍諧頻,您需要能夠激發(fā)高達(dá)65 MHz的晶振子。 10 MHz和30 MHz晶體的相應(yīng)頻率分別為130 MHz和390 MHz,如前所述,隨著頻率的增加,噪聲的影響將越來(lái)越明顯。
QCM的基頻非常重要
QCM的基頻與芯片厚度、理論質(zhì)量靈敏度、傳感深度和諧頻頻率大小等性能參數(shù)有關(guān)。最需要關(guān)注的參數(shù)是理論質(zhì)量靈敏度,因?yàn)槔碚撡|(zhì)量靈敏度隨著基頻的增加而上升。人們本能地追求更高的基頻。然而,有效的質(zhì)量靈敏度即在實(shí)際測(cè)量情況下獲得的靈敏度,并不一定與理論值一致。這是由于有效質(zhì)量靈敏度可能會(huì)隨著噪聲的增加以及硬件和電子設(shè)備的局限而顯著降低,這將影響芯片在實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)輸出時(shí)的質(zhì)量靈敏度。
如需了解更多關(guān)于與石英晶體微天平技術(shù)參數(shù)相關(guān)的因素及其原因,請(qǐng)下載附件中的指南。