Malin Edvardsson Oct 10, ’39 < 20190410

石英晶体微天平的基频重要吗?

在石英晶体微天平仪器的技术指标和实验描述中,总是会以基频为参考指标。常见的基频为5-10 MHz,也可以是15 MHz、30 MHz甚至更高。基频真的重要吗?我们将在此文中详细说明并解释石英晶体微天平的基频对测量的意义。

 

与石英晶体微天平基频相关的属性和性能

石英晶体微天平的基频f0指的是石英晶体可以被激发引起振荡的最低频率。这个特定频率与几个关键属性相关,例如:

1.     芯片厚度,h

2.     理论质量灵敏度,C

3.     传感深度,δ

4.     谐频共振频率

1. 芯片厚度

      如式(1)所示,基频与芯片的厚度h成反比。基频越高,芯片越薄。例如,一个5 MHz的芯片厚度约为334μm,一个10MHz的芯片厚度为其一半,厚度约为167 μm。

2. 理论质量灵敏度

如式(2)所示,根据Sauerbrey方程,石英晶体微天平的质量灵敏度C与基频的平方成反比。理论上,这意味着基频越高,灵敏度越好,即可以检测到更小的质量变化。例如,5 MHz和10 MHz芯片的理论质量灵敏度分别为17.7 ng/cm2和4.4 ng/cm2,这意味着10MHz芯片对给定表面质量的频率响应是5MHz芯片的4倍。

从灵敏度的角度来看,高的基频似乎非常可取。然而,在实践中,事情并非如此简单。有几个因素使得高基频并不是更好的选择。

首先,如前所述,基频越高,芯片越薄。当基频高到一定程度时,芯片会变得非常薄和脆弱,以至于无法独立使用1。

其次,频率越高,测量时的噪声越大。这有几个原因:一是制造过程中,芯片的平整度和厚度缺陷是无法完全避免的。芯片的厚度越薄,对共振质量的负面影响越大。 此外,驱动和测量电子设备中的噪声水平随频率的增加而上升,从而导致测量的不确定性。

考虑到上述情况,人们可能会认为厚的芯片(低基频)是理想的。然而,事情也并非那么简单。 所有晶体都有例如位错和杂质等缺陷。 这些缺陷会对共振质量产生负面影响,缺陷越少越好。 从这个角度来看,人们会喜欢与厚晶体相比具有较少缺陷的薄晶体。因此,我们通常需要在芯片的厚度上进行综合权衡。

综上所述,理论灵敏度高与更好的质量检测限不具有直接相关性。信噪比和长期稳定性等因素更为重要,这将决定您的测量结果质量。

3. 传感深度

第三个与共振频率相关的参数是传感深度δ。如式(3)所示,它与振荡频率的平方根成反比。 频率越高,检测到的薄膜层最大厚度就越薄。 例如,室温下,5,10和30MHz晶体的剪切波在水中的穿透深度分别为~250nm,~180nm和~100nm。

4. 谐频频率

最后需要考虑的一点因素是共振谐频。为了对QCM的数据进行粘弹性模型分析,需要使用多个谐频的频率和耗散信息。 对于传统的QCM,晶体在厚度-剪切模式下振荡,只能激发奇次谐频,即谐频是基频的奇数倍。例如,要获得5 MHz芯片的7个多倍谐频,您需要能够激发高达65 MHz的晶振子。 10 MHz和30MHz晶体的相应频率分别为130 MHz和390 MHz,如前所述,随着频率的增加,噪声的影响将越来越明显。

结论:QCM的基频非常重要

QCM的基频与芯片厚度、理论质量灵敏度、传感深度和谐频频率大小等性能参数有关。最需要关注的参数是理论质量灵敏度,因为理论质量灵敏度随着基频的增加而上升。人们本能地追求更高的基频。然而,有效的质量灵敏度即在实际测量情况下获得的灵敏度,并不一定与理论值一致。这是由于有效质量灵敏度可能会随着噪声的增加以及硬件和电子设备的局限而显著降低,这将影响芯片在实际测试数据输出时的质量灵敏度。

如需了解更多关于与石英晶体微天平技术参数相关的因素及其原因,请下载附件中的指南。

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