晶振是為電路提供基準(zhǔn)頻率信號(hào)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(cè)量模式中,微懸臂是要靠壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行AC驅(qū)動(dòng)來做小幅的振動(dòng),隨著其進(jìn)一步的發(fā)展,人們把目光開始轉(zhuǎn)向壓電材料,當(dāng)石英等材料受到應(yīng)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷,而當(dāng)在這些材料上施加電場(chǎng)時(shí),其幾何尺寸就會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)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(hào),從而對(duì)由于力梯度的作用下懸臂的形變信號(hào)進(jìn)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(jī)械振動(dòng)特性的變化直接轉(zhuǎn)化為電荷變化,因此不需要激光測(cè)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(dāng)時(shí)因?yàn)闇y(cè)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(gè)針尖制作成圓弧半徑可達(dá)nm級(jí),這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長(zhǎng),以獲得大約相當(dāng)于光波長(zhǎng)的百分之一的測(cè)量精度。但是這需要解決兩個(gè)問題:針尖的制備和測(cè)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(gè)角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會(huì)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(gè)很有希望的發(fā)展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺(tái)這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測(cè)量中,其針尖的制備使用了機(jī)械蝕刻金剛石的方法為了檢測(cè)針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個(gè)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(yīng)的電路檢測(cè)出來。

1995年,AMichels等報(bào)道了將晶振作為掃描近場(chǎng)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(hào)作為測(cè)量距離的信號(hào)得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)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(jìn)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(yīng)用。M.Todorovic等在1998年報(bào)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(gè)經(jīng)過磁化的非常細(xì)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(zhǎng),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(xué)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(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)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(cè)試精度并沒有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測(cè)試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),因此是一個(gè)很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測(cè)量精度有可能進(jìn)一步提高,這對(duì)于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來說,是一個(gè)性價(jià)比很高的測(cè)量?jī)x器,對(duì)于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價(jià)值。