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利用石英晶振作为微力传感器的原理进行分析讲解

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浏览：- 发布日期：2018-03-09 09:05:57【大中小】

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晶振是为电路提供基准频率信号源的一种频率元件,在前面的文章中亿金电子有提到过关于石英晶振晶片的选择,晶振刻蚀的影响,晶振片的生产材料等信息,那么下面要给大家说的是利用石英晶振作为微力传感器的分析讲解.

在非接触测量模式中,微悬臂是要靠压电驱动器进行AC驱动来做小幅的振动,随着其进一步的发展,人们把目光开始转向压电材料,当石英等材料受到应变时会产生电荷,而当在这些材料上施加电场时,其几何尺寸就会发生变化,这种现象被称为压电效应I18。1990年公司GrutterP等提出了可以将微悬臂粘附在双晶片之间以产生稳定性很好的高频振荡信号,从而对由于力梯度的作用下悬臂的形变信号进行频率调制,通过解调就可以获得表面形貌,研究显示了在固定带宽的情况下,灵敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片层压电材料表面刻蚀出针尖来取代传统的用si材料做成的微悬臂201.由于压电材料能将机械振动特性的变化直接转化为电荷变化,因此不需要激光测微仪,但用其制作的微悬臂品质因数Q值(约200)较低,使得分辨率有待提高,而且在片层压电材料表面刻蚀出针尖的成本太高。因此必须使用一种高品质因数的压电材料的传感器以提高信噪比。

使用针式传感器的想法在1988年就产生了,当时因为测量集成电路的需要,研究人员曾经试图模仿传统的轮廓仪,将一个针尖制作成圆弧半径可达nm级,这样就可以突破一些物理极限,如光的波长,以获得大约相当于光波长的百分之一的测量精度。但是这需要解决两个问题:针尖的制备和测量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探讨了使用石英音叉晶振作为传感器的可能性，将音叉的一个角作为针尖逼近样品表面,音叉的幅值和频率会随着逼近距离的变化而变化,证明了使用石英晶振作为传感器,是一个很有希望的发展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一台这样的针式传感器并将它用于AFM的测量中,其针尖的制备使用了机械蚀刻金刚石的方法为了检测针尖和样品之间的接触,针尖被固定在一个高灵敏度的1MHEZ杆状晶振上,晶振的谐振参数的变化可以被相应的电路检测出来。

1995年, A Michels等报道了将晶振作为扫描近场声显微镜的探针的研究。将1MHZ杆状晶振的尖角作为针尖以45°角与样品逼近,将晶振受到的阻尼信号作为测量距离的信号得到物体表面的形貌图。其垂直分辨率达到了50nm,水平分辨率达到了200nm,是介于传统的轮廓仪和SFM之间的一种仪器24。随着研究的进一步深入,研究者开始探讨将针式传感器作为其他类型显微镜的应用。M.Todorovic等在1998年报道了一种使用音叉作为传感器的磁力显微镜。在石英音叉的一支脚上粘附一个经过磁化的非常细小的针尖,即可构成磁力传感器。石英音叉晶振的脚只有2mm长,200um厚,100um宽,弹性常数只有200N/m,只有传统的AFM仪器的十分之-。针尖是电化学腐蚀镍丝的方法制作的,针尖的安装保证了音叉的弹性常数和Q值不发生大的变化。

国内这一领域的工作开展的比较晚,1997年,计量科学研究院与西德的合作项目中首次使用了这一技术,之后我们实验室也在这一领域进行了跟踪研究,并获得了初步的结果。

从上述发展历程可以看出,使用贴片晶振,石英晶振作为针式传感器,到目前其测试精度并没有达到很高,但是由于其成本低廉,易于获得,性能稳定,在测试方法上具有独到的优势,因此是一个很有前途的发展方向,随着研究的进一步深入,它的测量精度有可能进一步提高,这对于工业界和实验室来说,是一个性价比很高的测量仪器,对于科学试验和工业应用都具有很大的价值。