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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IBM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。

石英晶振主要用在电路中作稳频元件。为了克服传统的扫描探针显微镜在应用中的不足,本文采用石英晶振作为微力传感器来取代传统的微悬臂和位移检测装置。而石英晶振有两个优点：

1、压电效应,从而使石英晶振免去了中间转化环节,形成一个独立的直接和即时的微力测量单元。

2、空气中极高的品质因素,从而使最小可测力梯度减小,传感器的灵敏度提高。

2.1晶振作为测量元件的物理特性研究

石英晶体是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体,其化学成分是Si02,下图所示是石英晶振晶体的坐标轴系：

通常将通过两顶端的轴线称为光轴(Z轴),与光轴垂直又通过晶体切面的六个角的三条轴线称为电轴(X轴),与光轴垂直又和石英晶振晶体横切面六边形的六个边垂直的三条轴线称为机械轴(Y轴),X轴、Y轴、Z轴统称为晶体的坐标轴系。在同一方向上,石英晶振晶体的性质是完全相同的。

石英晶体是一种各向异性的晶体,它具有正压电效应。沿某一机械轴或者电轴施加压力,则在垂直于这些轴的两个表面上就产生了异号电荷,其值与机械压力产生的机械形变成正比,若施以张力,则表面上的电荷与受压时的符号相反。造成这种结果的原因是贴片晶振,石英晶振晶体的晶格在压力下变形,导致电荷分布不均匀。石英晶体还具有逆压电效应,如果在石英晶体两个面之间加一电场,则晶体在电轴或机械轴方向上就会延伸或压缩,延伸或压缩量与电场强度成正比。

如果将石英晶体置于交变电场中,则在电场的作用下,贴片晶振晶体的体积会发生周期性的压缩或拉伸的变化,这样就形成了晶体的机械振动,晶体的振动频率应等于交变电场的频率,在电路中也就是驱动电源的频率。当石英晶体谐振器振动时,在它的两表面产生交变电荷,结果在电路中出现了交变电流,这样压电效应使得晶体具有了导电性,可以视之为一个电路元件。石英晶振晶体本身还具有固有振动频率,此振动频率决定于晶体的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数,当石英晶振晶体,有源晶振的固有振动频率和加于其上的交变电场的频率相同时,晶体就会发生谐振,此时振动的幅值最大,同时压电效应在石英晶振晶体表面产生的电荷数量和压电电导性也达最大,这样石英晶体谐振器,石英晶振晶体的机械振动与外面的电场形成电压谐振,这就是石英晶体作为振荡器的理论基础。

石英晶体的电气特性可用图中所示的等效电路图来表示,由等效电阻R1、等效电感L1和等效电容C1组成的串联谐振回路和静态电容Co并联组成,静态电容C0主要由贴片晶振,有源晶振,石英晶体的尺寸与电极确定,再加上支架电容组成。等效电感L1和等效电容C1由切型、石英晶体片和电极的尺寸形状来确定。等效电阻R1是决定石英晶振Q的主要因素,是直接影响石英晶体谐振器工作效果的一个重要参数。R1不仅由切型、石英晶体片形状、尺寸、电极决定,而且加工条件、装架方法等对其影响也很大。因此,同一型号,同一频率的若干产品其Q值也相差很大。

在等效电路中,L1和C1组成串联谐振电路,谐振频率为:

通常石英晶体谐振器的阻抗频率特性可用图2.3表示。此处忽略了等效电阻R1的影响,由图可见,当工作频率f时,晶体呈容性;当工作频率在f0与f之间时,晶体呈感性;当工作频率f>f时,晶体又呈容性。晶体在晶体振荡器主振荡级的振荡电路呈现感性,即工作频率在f于f之间。