Создан 25 авг.

1,9122 серебряных знака55 бронзовых знаков

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

— какова точность кристалла кварца?

Допуск по частоте в зависимости от стабильности частоты…

Допуск в основном включает изготовление кристаллической заготовки: шлифовку и покрытие ее поверхности таким образом, чтобы ее статический первичный резонанс достиг целевой частоты. Допуск указывается при фиксированной температуре, поскольку температура в основном влияет на стабильность резонанса. Допуск первичной резонансной частоты — наименее сложная спецификация. Терпимость может включать старение. Или то, как стареет кристалл, может быть отдельной спецификацией (также сделанной при фиксированной температуре).

Стабильность в основном зависит от температуры.Температурная стабильность осложняется скоростью изменения температуры — быстрые изменения температуры могут радикально изменить резонансную частоту, если одна часть кристалла охлаждается / нагревается больше, чем другая. Технические характеристики кристалла обычно относятся к очень медленно сканируемому температурному диапазону, в котором тестируемый кристалл нагревается равномерно. На быстро меняющиеся температурные эффекты влияет то, как установлен кристалл — это то, что производитель кристаллов не может контролировать.

Кристаллы обычно режут под определенными углами, где температурные коэффициенты близки к нулю.Но они остаются близкими к нулю в очень небольшом диапазоне температур. Кристалл AT-среза несколько расширяет этот диапазон, поскольку температурные профили соответствуют кривой 3-го порядка. В указанном диапазоне температур производная этой кривой меняет знак на при двух разных температурах. Очень небольшое изменение угла среза позволяет производителю адаптировать стабильность резонанса к другому температурному диапазону.
Другие срезы кристаллов следуют температурной кривой 2-го порядка, где идеальная температурно-частотная стабильность достигается только при одной температуре.

Производитель кристалла может указать только первичный резонанс кристалла, предпочтительно его резонанс серии : частота, при которой его масса и постоянная пружины совпадают. Но многие колебательные контуры кристалла также включают в себя цепь + емкость кристалла , которая сдвигает резонанс серии кристалла на более высокую частоту. Чтобы приспособиться к сборщикам схем, производитель может указать кристалл с параллельным резонансом и включить в эту спецификацию емкость.В идеале эта добавленная емкость не зависит от температуры.

Похоже, вас больше всего беспокоит стабильность частоты … измеренная в течение длительного периода времени. Частотомер или часы , например часы . Джиттер генератора не является проблемой в таком приложении.

Изменяя емкость генератора, его частоту колебаний можно изменять в небольшом диапазоне. Это обычно отрицательно влияет на стабильность частоты, отчасти потому, что добавленная емкость не является термостабильной, а отчасти потому, что резкость резонанса ухудшается при переходе от последовательного резонанса.Спецификации производителя кристаллов не могут решить эту дополнительную проблему.
Производителю сложно указать кристалл, который можно было бы использовать в нескольких схемах различных приложений (в основном в генераторах) с самыми разными топологиями. Обычная конструкция генератора, скорее всего, приведет к худшим колебаниям частоты, чем характеристики необработанного кристалла.

TL; DR:

Если я проведу два последовательных измерения одного и того же кристалла, предположив, что постоянная температура. Могу ли я ожидать, что ошибка частоты будет такой же? по обоим измерениям (или хотя бы ниже допустимого отклонения частоты)? Или обе измеренные ошибки следует считать независимыми?

Я предполагаю, что вы измеряете частоту генератора, используя монокристалл, чтобы установить его частоту, и вы используете точно такую ​​же измерительную установку для обоих измерений, используя частотомер с гораздо лучшими характеристиками, чем кристалл-под. -тестовое задание.Также предполагая, что весь тестовый генератор работает при «постоянной температуре»:
Примерно единственная характеристика кристалла, которая может варьироваться, — это характеристики старения.

Если вы поместите тот же кристалл в другой генератор для второго измерения, ожидайте, что допуск по частоте для частоты генератора будет больше, чем допуск необработанного кристалла. Кристалл, приводимый в действие с большим количеством сдвигов тока, тоже … редко указывается в технических характеристиках кристалла.
Компоненты генератора, вероятно, различаются, например, его напряжение питания постоянного тока.И вы не упомянули переменную нагрузку — она ​​будет увеличивать частоту +/- …, поэтому второй частотомер (с отличными характеристиками) может измерять частоту, отличную от первой.
Компоненты генератора могут иметь свои собственные эффекты старения. Свеже построенный осциллятор часто дрейфует больше в очень молодом возрасте и улучшается с возрастом. Длительный период отдыха между двумя измерениями частоты зависит как от старения кристалла, так и от старения генератора.

Измерение резонансной частоты кристалла кварца в зависимости от температуры кварца.

Контекст 1

… кристалл в последовательном резонансе при его основном колебании около 6 МГц и для измерения этой резонансной частоты с точностью до нескольких МГц. Частота последовательного резонанса fs определяется элементами L 1, C 1 и R 1 в эквивалентной схеме Баттерворта – Ван Дайка кристалла (рис. 3), и это собственная частота кристалла с его электроды закорочены. В отличие от параллельной резонансной частоты ͑ открытый электрод ͒, f s можно определить, если кристалл подключен к электронике через кабель с дополнительной емкостью, параллельной C 0.Цепи осциллятора для последовательного резонанса усиливают сигнал, пропорциональный току через кристалл кварца, и подают это напряжение обратно. Таким образом выбирается резонанс с наивысшей проводимостью. В отличие от кристаллов среза AT, кристаллы среза SC имеют две моды сдвига, вызванные пьезоэлектрическим эффектом, причем C-мода с компенсацией температуры и напряжений имеет более низкий коэффициент пьезоэлектрической связи (k 2 ϭ 0,024), чем нежелательная B-мода (k 2 ϭ 0,026). Следовательно, мода B, резонансная частота которой примерно на 10% выше, чем у моды C, обычно имеет более высокую проводимость и должна подавляться.В схемах генератора это можно сделать через LC-фильтр, который, однако, вызывает нежелательный фазовый сдвиг, приводящий к дополнительному дрейфу частоты. Эта проблема может быть решена путем использования отдельного генератора, который фиксирует резонансную частоту кристалла, аналогично петле фазовой автоподстройки частоты ͑ PLL ͒. Разность фаз между напряжением возбуждения на кристалле и протекающим через него током используется для управления частотой осциллятора. Схема схематически показана на рис. 4 подробные электронные схемы можно получить у авторов по запросу ͒.Мы используем малошумящий LC-осциллятор типа Клаппа, настраиваемый между 59 и 61 МГц с помощью варикапов. После усиления и преобразования в уровни TTL, сигнал генератора подается, с одной стороны, в счетчик частоты, а с другой — в счетчик Джонсона, который делит частоту на 10 для возбуждения кварцевого кристалла. Эта установка использует один и тот же цифровой сигнал для аналоговой части схемы и частотомера, тем самым минимизируя дрожание и дрейф уставки триггера, которые могут повлиять на измерение частоты при подключении частотомера к аналоговой электронике.После сглаживания до синусоидальной формы сигнал с частотой 6 МГц проходит через управляемый напряжением усилитель ͑ VCA, который поддерживает ток через кристалл и, следовательно, его амплитуду колебаний постоянной. Поскольку невозможно разместить электронику внутри камеры сверхвысокого вакуума ͑ необходимость обжига до 250 ° C ͒, мы должны использовать электрические вводы и соединительные кабели длиной 50 см с дополнительной параллельной емкостью к емкости кристалла кварца C 0. Поэтому мы используем активную компенсацию этой параллельной емкости, состоящую из двух ветвей, которые идентичны, за исключением того конца, где только одна ветвь соединена с кристаллом кварца.Гарантируется, что обе ветви имеют одинаковую дополнительную параллельную емкость, так что сигнал от ветви компенсации можно использовать для коррекции сигнала в дифференциальном усилителе. Кабели плотно упакованы, а экраны коаксиальных кабелей подключены в качестве защитных проводов, что дополнительно минимизирует фазовый сдвиг. Ток через обе ветви преобразуется двумя конденсаторами в напряжения, сдвинутые на 90 °. Их разность, которая пропорциональна фазовому току, сдвинутому на 90 ° через кристалл кварца, в конечном итоге достигает множителя для сравнения фазы с напряжением на кристалле.При последовательном резонансе напряжение и ток кристалла находятся в фазе, что приводит к сдвигу фазы на 90 ° на входе умножителя. Любое отклонение от резонансной частоты f s кристалла приводит к фазовому сдвигу и, следовательно, к ненулевому выходному сигналу умножителя. Этот сигнал ошибки увеличивает или уменьшает частоту генератора и, таким образом, поддерживает частоту генератора ровно на уровне 10 фс. Поскольку требуемая стабильность фазового сдвига очень высока (10 Ϫ 4 рад, необходимо использовать достаточно быстрые электронные компоненты с низким фазовым сдвигом и, следовательно, высокими частотами прохождения в диапазоне 500 МГц.Большое внимание следует уделить компоновке схемы, чтобы избежать нежелательных автоколебаний схемы с частотами в диапазоне нескольких сотен МГц. В первом тесте было исследовано соответствие описанной выше новой электроники EC1 с точки зрения стабильности частоты и шума и проведено сравнение с данными, полученными с электроникой EC2, использованной в предыдущих экспериментах. 12,13 Электроника EC2 представляла собой обычный последовательный резонансный генератор с компенсацией параллельных емкостей. Типичные результаты этого сравнения показаны на рис.5. Представленные данные были измерены без ионной бомбардировки, чтобы получить частотную характеристику исключительно за счет электронной схемы и держателя кварцевого кристалла. Температура кристалла кварца поддерживалась на минимальном уровне зависимости частоты от температуры (рис. 2) при 191 ° C, а фоновое давление поддерживалось ниже 10–9 мбар. Использование EC1 снизило шум, а также дрейф как минимум в 5 раз по сравнению с EC2. Некоторые типичные необработанные данные измерений общего выхода распыления при ионной бомбардировке поверхности LiF показаны на рис.6 ͑ a ͒ –6 ͑ d ͒. Периоды «выключения луча», когда проверяется дрейф частоты, чередуются с периодами «включения луча», когда измеряется изменение частоты из-за распыления ͑ или осаждения. На рисунке 6 ͑ a приведены данные для воздействия He 500 эВ на LiF. Относительно высокий выход распыления 1,4 молекулы LiF на ион He за счет как потенциального, так и кинетического распыления 12, а также довольно высокая плотность ионного тока ͑ 700 нА / см 2) приводят к большому изменению частоты (⌬ f ϭ 5,6 Гц ͒ во время периоды включения луча, которые можно удобно измерить.При энергии удара около порога кинетического распыления 100 эВ He, рис. 6 ͑ b не только общий выход распыления, но и плотность ионного тока из-за замедления ͒ меньше, но изменение частоты все еще может быть оценивается с приемлемой точностью ͓ Рис. 6 ͑ b ͔͒. На рисунке 6 ͑ c показан чрезвычайно сложный случай бомбардировки N 20 эВ на поверхности LiF. При такой низкой энергии удара кинетическое распыление не происходит. Потенциальная энергия, запасенная в N ͑ 14,53 эВ, намного меньше, чем в He ͑ 24.59 эВ ͒, что также приводит к соответственно малому потенциальному выходу распыления. Из-за сильного торможения при достижении энергии удара 20 эВ плотность падающего ионного тока составляет всего 70 нА / см 2. Таким образом, результирующее изменение частоты всего на 200 мГц подвержено относительно большим ошибкам. Из серии аналогичных измерений с низким ионным током и малым выходом распыления мы пришли к выводу, что наш метод в настоящее время ограничен случаями, когда произведение общего выхода распыления на плотность ионного тока обычно превышает 0.2 а.е.м. / ион А / см 2 для сравнения, рис. 6 ͑ c соответствует произведению примерно 1 а.е.м. / ион ␮ А / см 2]. Таким образом, наш QCM способен обнаруживать удаление всего 5 Â 10 10 молекул LiF на см 2 в секунду. В результате чувствительность к изменениям массы составляет примерно 8 Â 10 5 монослоев в секунду или 0,5% монослоя в минуту и, следовательно, повышение чувствительности по сравнению с ранее использовавшимися установками по крайней мере в 5 раз. 6 d показывает интересный случай воздействия Cu 100 эВ на LiF.Поскольку энергия рекомбинации Cu 7,73 эВ слишком мала, чтобы вызвать потенциальное распыление, а кинетический выход распыления также практически равен нулю пороговая область, мы наблюдаем чистое осаждение Cu из-за имплантации или прилипания Cu сбрасывать ионы ͑ на ͒ поверхность мишени из LiF. Предположим, что выход распыления LiF медленными снарядами Cu ϩ равен нулю, имплантация дозы 4 Â 10 13 атомов Cu на см 2, что соответствует дозе ионов Cu в течение 1 мин для рис. 6 ͑ d ͔͒, приведет к изменение частоты 300 мГц в минуту по сравнению с измеренным изменением частоты 165 мГц / мин на рис.6 дн. Таким образом, около 55% поступающих Cu ϩ снарядов имплантируются или адсорбируются на поверхности LiF. Эта работа была поддержана Austrian Fonds zur F rderung der Wissenschaftlichen Forschung ͑ Project No. P 12388 PHY и выполнялась в рамках ассоциации EURATOM-O …

Context 2

… она была представлена ​​Sauerbrey В 1959 г. кварцевые микровесы QCM использовались в качестве чувствительного устройства для измерения небольших изменений массы. 2,3 В настоящее время применяется, т.е.g., для контроля роста тонких пленок в процессах напыления и напыления. 4–7 В последние годы сообщалось о разнообразных применениях QCM в газообразных и жидких средах 8,9, таких как газовый хроматографический детектор, газовый датчик, биосенсор, диагностический инструмент для взаимодействия плазмы со стенкой 10 и электрохимии фазы раствора 11. Для измерения общего выхода распыления, включая как нейтральные, так и заряженные вторичные частицы, при столкновениях ионов с поверхностью в Техническом университете в Вене был разработан метод чувствительного микровесов кварцевого кристалла.6,7,12,13 В этом эксперименте материал мишени сначала наносится на кристалл кварца в виде тонкой поликристаллической пленки, а затем бомбардируется медленными (5 кэВ одно- или многозарядными ионами), причем мощность распыления определяется по массе потеря целевой пленки. В то время как кристаллы кварца широко используются для определения площади поверхности и, следовательно, толщины осажденного материала, скорость удаления материала в основном изучалась с помощью других методов, таких как обычные микровесы, вторичная нейтральная масс-спектрометрия ͑ SNMS ͒ или улавливающие фольги 14,15, впоследствии проанализированные методом обратного рассеяния Резерфорда.Это неудивительно, поскольку использование кристаллов кварца для прямых измерений выхода распыления сопряжено с серьезными проблемами. Скорость удаления материала и, следовательно, изменения частоты довольно низки по сравнению с большинством применений осаждения, требуя довольно высокой стабильности частоты кристалла и схемы генератора, а также высокой точности и разрешения при определении резонансной частоты. Кроме того, значительное количество энергии выделяется первичными частицами на распыляемой поверхности, вызывая проблемы из-за теплового дрейфа.Во многих приложениях для осаждения энергия, выделяемая на один падающий атом, составляет всего несколько эВ ì энергия сублимации плюс тепловое излучение от источника испарения ͒, в то время как в случае распыления энергия, выделяемая на ударный снаряд, скорее всего, находится в диапазоне нескольких от сотен эВ до нескольких кэВ. Другие проблемы возникают из-за чувствительности резонансной частоты к поверхностному напряжению, вызванному, например, дефектами, вызванными разбрызгиванием, имплантацией ионов-снарядов и неоднородным удалением массы в зоне воздействия ионного пучка.16–18 Для обнаружения изменений массы порядка 10 3 монослоев ͑ ML ͒ в минуту при типичной резонансной частоте 6 МГц метод QCM требует стабильности частоты в несколько МГц в течение этого времени. Такой уровень производительности сегодня легко достигается с помощью кварцевых кристаллов и генераторов, разработанных для приложений временной развертки. Однако использование кристалла кварца в качестве микровесов в сверхвысоковольтном оборудовании накладывает некоторые ограничения на установку, такие как необходимость прокладки кабеля между кристаллом кварца и электроникой и использование кристалла без корпуса с одним заземленным электродом.В этих условиях обычные электронные генераторы не могут обеспечить требуемых характеристик. Поэтому мы разработали новую электронику и специальный держатель кварцевого кристалла, чтобы удовлетворить требования к измерению очень малых изменений массы, вызванных столкновениями ионов с поверхностью. Массочувствительная часть ККМ представляет собой плосковыпуклый диск, вырезанный из кристалла кварца с резонансной частотой в диапазоне 6 МГц, на который нанесены золотые электроды. Использовались кристаллы SC-среза 6 МГц №13.Диаметр 95 мм ͒ с золотыми электродами, поставляемыми KVG Quartz Crystal Technology GmbH, Германия, с компенсацией напряжений SC ͒. В отличие от обычно используемой номенклатуры AT-среза YXl ͒ -35,25 ° ͑ согласно стандарту IEEE 1978 19 SC-срез ͑ YXwl ͒ 21,93 °, Ϫ 33,93 ° имеет резонансную частоту, нечувствительную к радиальному напряжению, и поэтому лучше подходит для наше текущее приложение. Далее мы описываем экспериментальную процедуру для случая пленки мишени LiF ì других мишеней, таких как Au, Si, GaAs и т. Д.также использовались ͒. На один из металлических электродов была нанесена тонкая поликристаллическая пленка LiF толщиной примерно 200 нм в коммерческой системе нанесения покрытий в высоком вакууме ͑ Leybold L560 / HV8.2, фоновое давление 10 Ϫ 6 мбар ͒ со скоростью осаждения порядка 10 нм. / с. LiF испаряли из Mo-лодочки; во время осаждения температура подложки поддерживалась на уровне примерно 150 ° C. Кристалл кварца с пленкой-мишенью транспортировался по воздуху в установку сверхвысокого вакуума, где крепился к держателю мишени.Чтобы минимизировать напряжение в кристалле кварца при его установке, мы использовали тонкое кольцо Au на поверхности LiF и закрепили кристалл кварца с другой стороны с помощью W-пружины ͑ Рис. 1. Кольцо Au и пружина W также служили электрическими контактами для связи между электронной схемой и кристаллом кварца. Чтобы свести к минимуму влияние тепловых дрейфов и флуктуаций, кристалл кварца работает при минимуме его резонансной частоты в зависимости от кривой температуры ͑ Рис. 2 ͒. При тщательном сканировании температуры этот минимум был определен как 191 ° C ͑ Рис.2 ͒, что означает, что пленка-мишень LiF также поддерживается при этой температуре во время измерений распыления. Поскольку осажденная пленка мишени очень тонкая по сравнению с толщиной кристалла кварца, достаточно использовать простое уравнение по Зауэрбрею: …

Контекст 3

… оно было введено Сауэрбреем в 1959 году. микровесы с кварцевым кристаллом ͑ QCM использовались в качестве чувствительного устройства для измерения небольших изменений массы. 2,3 В настоящее время применяется, т.е.g., для контроля роста тонких пленок в процессах напыления и напыления. 4–7 В последние годы сообщалось о разнообразных применениях QCM в газообразных и жидких средах 8,9, таких как газовый хроматографический детектор, газовый датчик, биосенсор, диагностический инструмент для взаимодействия плазмы со стенкой 10 и электрохимии фазы раствора 11. Для измерения общего выхода распыления, включая как нейтральные, так и заряженные вторичные частицы, при столкновениях ионов с поверхностью в Техническом университете в Вене был разработан метод чувствительного микровесов кварцевого кристалла.6,7,12,13 В этом эксперименте материал мишени сначала наносится на кристалл кварца в виде тонкой поликристаллической пленки, а затем бомбардируется медленными (5 кэВ одно- или многозарядными ионами), причем мощность распыления определяется по массе потеря целевой пленки. В то время как кристаллы кварца широко используются для определения площади поверхности и, следовательно, толщины осажденного материала, скорость удаления материала в основном изучалась с помощью других методов, таких как обычные микровесы, вторичная нейтральная масс-спектрометрия ͑ SNMS ͒ или улавливающие фольги 14,15, впоследствии проанализированные методом обратного рассеяния Резерфорда.Это неудивительно, поскольку использование кристаллов кварца для прямых измерений выхода распыления сопряжено с серьезными проблемами. Скорость удаления материала и, следовательно, изменения частоты довольно низки по сравнению с большинством применений осаждения, требуя довольно высокой стабильности частоты кристалла и схемы генератора, а также высокой точности и разрешения при определении резонансной частоты. Кроме того, значительное количество энергии выделяется первичными частицами на распыляемой поверхности, вызывая проблемы из-за теплового дрейфа.Во многих приложениях для осаждения энергия, выделяемая на один падающий атом, составляет всего несколько эВ ì энергия сублимации плюс тепловое излучение от источника испарения ͒, в то время как в случае распыления энергия, выделяемая на ударный снаряд, скорее всего, находится в диапазоне нескольких от сотен эВ до нескольких кэВ. Другие проблемы возникают из-за чувствительности резонансной частоты к поверхностному напряжению, вызванному, например, дефектами, вызванными разбрызгиванием, имплантацией ионов-снарядов и неоднородным удалением массы в зоне воздействия ионного пучка.16–18 Для обнаружения изменений массы порядка 10 3 монослоев ͑ ML ͒ в минуту при типичной резонансной частоте 6 МГц метод QCM требует стабильности частоты в несколько МГц в течение этого времени. Такой уровень производительности сегодня легко достигается с помощью кварцевых кристаллов и генераторов, разработанных для приложений временной развертки. Однако использование кристалла кварца в качестве микровесов в сверхвысоковольтном оборудовании накладывает некоторые ограничения на установку, такие как необходимость прокладки кабеля между кристаллом кварца и электроникой и использование кристалла без корпуса с одним заземленным электродом.В этих условиях обычные электронные генераторы не могут обеспечить требуемых характеристик. Поэтому мы разработали новую электронику и специальный держатель кварцевого кристалла, чтобы удовлетворить требования к измерению очень малых изменений массы, вызванных столкновениями ионов с поверхностью. Массочувствительная часть ККМ представляет собой плосковыпуклый диск, вырезанный из кристалла кварца с резонансной частотой в диапазоне 6 МГц, на который нанесены золотые электроды. Использовались кристаллы SC-среза 6 МГц №13.Диаметр 95 мм ͒ с золотыми электродами, поставляемыми KVG Quartz Crystal Technology GmbH, Германия, с компенсацией напряжений SC ͒. В отличие от обычно используемой номенклатуры AT-среза YXl ͒ -35,25 ° ͑ согласно стандарту IEEE 1978 19 SC-срез ͑ YXwl ͒ 21,93 °, Ϫ 33,93 ° имеет резонансную частоту, нечувствительную к радиальному напряжению, и поэтому лучше подходит для наше текущее приложение. Далее мы описываем экспериментальную процедуру для случая пленки мишени LiF ì других мишеней, таких как Au, Si, GaAs и т. Д.также использовались ͒. На один из металлических электродов была нанесена тонкая поликристаллическая пленка LiF толщиной примерно 200 нм в коммерческой системе нанесения покрытий в высоком вакууме ͑ Leybold L560 / HV8.2, фоновое давление 10 Ϫ 6 мбар ͒ со скоростью осаждения порядка 10 нм. / с. LiF испаряли из Mo-лодочки; во время осаждения температура подложки поддерживалась на уровне примерно 150 ° C. Кристалл кварца с пленкой-мишенью транспортировался по воздуху в установку сверхвысокого вакуума, где крепился к держателю мишени.Чтобы минимизировать напряжение в кристалле кварца при его установке, мы использовали тонкое кольцо Au на поверхности LiF и закрепили кристалл кварца с другой стороны с помощью W-пружины ͑ Рис. 1. Кольцо Au и пружина W также служили электрическими контактами для связи между электронной схемой и кристаллом кварца. Чтобы свести к минимуму влияние тепловых дрейфов и флуктуаций, кристалл кварца работает при минимуме его резонансной частоты в зависимости от кривой температуры ͑ Рис. 2 ͒. При тщательном сканировании температуры этот минимум был определен как 191 ° C ͑ Рис.2 ͒, что означает, что пленка-мишень LiF также поддерживается при этой температуре во время измерений распыления. Поскольку осажденная пленка мишени очень тонкая по сравнению с толщиной кристалла кварца, достаточно использовать простое уравнение по Зауэрбрею: …

(PDF) Простая установка для одновременного измерения резонансной частоты и абсолютного рассеяния коэффициент кварцевых микровесов

коэффициент рассеяния получаются одновременно. Измерение fand D

~ включая подгонку кривой! Занимает приблизительно

1–2 с.

В предыдущем исследовании использовался высокоимпедансный буфер

~ Burr-Brown 3553 !, подключенный параллельно с QCM

, для исследования распада кристалла, колеблющегося

в параллельном режиме.8

В настоящем исследовании мы описываем простую установку, которая может быть использована для измерения как последовательных, так и параллельных резонансных частот

, fs и fp, соответственно, и соответствующих

коэффициентов абсолютного рассеяния.Схема

показана на рис. 1.

Небольшой ферритовый тороид ~ Philips 3F3! Используется в качестве трансформатора тока

. Один конец вторичных выводов был подключен к входу 50 В оцифровывающего осциллографа

, а другой

был заземлен вместе с одним из электродов QCM! На

осциллографа. Конфигурация трансформатора de-

зависит от механической нагрузки кристалла ~ см. Ниже !.

Когда кристаллы колебались в воздухе, мы использовали один виток

на первичной стороне ~, достигаемый простым продеванием провода

между реле и кристаллом через отверстие в ферритовом тороиде

! И десять витков на ферритовом тороиде! вторичная обмотка.Для

этой конфигурации нагрузка измерительной установки на кристалле

, Rload, составляет приблизительно 0,5 В. В жидкостях мы использовали 4

витков на первичной стороне и 10 на вторичной стороне трансформатора

, который увеличил Rload примерно до 8 В. Для сравнения, для

сопротивление движению обычно составляет 5–30 В для

QCM, колеблющегося в воздухе, и 200–400 В, когда кристалл

колеблется одной стороной в контакте с водой.

Генератор сигналов приблизительно настроен на резонансную частоту серии

. Когда реле разомкнуто, частота колебаний кристалла

смещается на последовательную или параллельную резонансную частоту

кристалла в зависимости от того, замкнут или разомкнут переключатель

соответственно. Измеренные значения f и D ~ серии или

в параллельном режиме! Не зависят от точной частоты возбуждения

, если она достаточно близка к fst для получения хорошего выходного сигнала

.Выходной сигнал является самым большим, когда частота возбуждения

равна fs. ~ За счет качания частоты сигнала

генератора при измерении амплитуды выходного сигнала

и фазы между выходом и сигналом генератора sig-

Таким образом, можно получить график импеданса

, очень похожий на график анализатора импеданса.! Генератор сигналов

использовался вместо обычного электронного генератора, так что кристалл

может работать даже при коротком замыкании с Cop-

на провод, как описано ниже.

Коммутатор состоит из адаптера BNC для удвоения гнезда 4 мм

~ Greenpar! С короткозамкнутыми гнездами медным проводом длиной 15

см и толщиной 2 мм. Медный провод имеет самоиндукцию

, Ls, приблизительно 90 нГн. Переключатель

замкнут при подключении этого адаптера к вилке BNC между реле

и тороидальным трансформатором. ~ Адаптер BNC, конечно же,

может быть заменен реле, чтобы управлять им с помощью компьютера

.! Контакты BNC, используемые для соединения переключателя, реле

и кристалла, вместе добавляют емкость нагрузки, Cs,

, равную 19 пФ.

В предыдущей настройке на кристалле

появляется напряжение смещения постоянного тока, величина которого зависит от напряжения на кристалле

при размыкании реле.8 Это смещение постоянного тока либо должно быть отфильтровано до

, либо должно быть отфильтровано. включены в уравнение. ~ 1! В качестве дополнительного установочного параметра

. В настоящей установке это не проблема

, поскольку трансформатор не передает постоянного напряжения.

~ При размыкании реле возникает переходный процесс длительностью около

, составляющий около 10 нс, который передается на осциллограф осциллографа

. Этого переходного процесса можно избежать, запустив сбор данных через 0,1 мс после размыкания реле.!

Нагрузка на кристалл во время измерения ~ т. Е. После

реле было разомкнуто! Зависит от того, находится ли переключатель

разомкнутым или замкнутым ~ т. Е. От того, отключен или подключен адаптер BNC,

соответственно! .Когда переключатель замкнут

~ последовательный режим !, емкость Csc можно игнорировать, так как

v

Ls

! (

v

Cs) 21, и поэтому нагрузка на кристалл Rload в серии

с Ls. Когда переключатель разомкнут ~ параллельный режим !, нагрузка

состоит из Rload, соединенных последовательно с Cs.

Влияние установки на резонансные частоты

и коэффициенты рассеяния можно оценить следующим образом. 2 В последовательном режиме

резонансная частота находится в хорошем приближении

, заданном формулой

fs51

2

p

A

C1 ~ L11Ls!, ~ 3!

, где C1 и L1 — эквивалентная подвижная

емкости и индуктивности кристалла, соответственно, и показаны

на рис.2. Также на рис. 2 показаны подвижное сопротивление кристалла

, R1, и параллельная емкость, C0. В параллельном режиме установки

резонансная частота задается как

fp51

2

p

A

L1

~ C01Cs! C1

C01Cs1C1

. ~ 4!

Коэффициент рассеяния одинаков как для последовательного, так и для параллельного режима

~ при условии, что кристалл работает не в проводящей среде

! И задается

D5R11Rload

2

p

fsL1’R11Rload

2

p

fpL1.~ 5!

Из ур. ~ 3! И ~ 4 !, можно оценить, насколько

установка влияет на измерение в последовательном режиме.

невозмущенных значений fs, fp и D даны по формулам. ~ 3 !,

~ 4 !, и ~ 5 !, соответственно, с элементами нагрузки Ls, Cs и

РИС. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки. Кристалл

управляется генератором сигналов примерно на его последовательной резонансной частоте.

Кристалл затухает в параллельном или последовательном режиме, когда переключатель разомкнут или

замкнут, соответственно.

3239 Рев. Sci. Instrum., Vol. 67, No. 9, September 1996 Резонансная частота

Загружено¬02¬Jan¬2010¬to¬194.57.87.233.¬Redistribution¬subject¬to¬AIP¬license¬or¬copyright; ¬see¬http: // rsi. aip.org/rsi/copyright.jsp

to-Basics — Определение кристаллов кварца • Пресс-релиз IQD

Размещено: 5 мая 2021 г.

Поделиться

Сегодня использование таймеров увеличивается с каждым новым технологическим прорывом. Постепенно все больше инженеров становятся ответственными за определение параметров кристаллов для своих электронных устройств.Это вызывает необходимость лучше понимать кристаллы. В этом блоге мы рассмотрим ключевые параметры кристалла, которые следует учитывать при разработке приложения.

1. Частота

Частота кристалла кварца — это мера количества колебаний в секунду, при которых кусок кварца будет резонировать, то есть 10 МГц означает, что кварц колеблется со скоростью 10 000 000 раз в секунду! Эта частота меняется с толщиной кварцевой заготовки. Чем тоньше заготовка, тем выше будет частота.

Требуемая частота обычно зависит от приложения и рассматривается вместе с ИС, с которой используется устройство, например Приложения GPS обычно работают на частоте 26 МГц.

Необходимо выбрать правильную рабочую частоту, особенно когда системам необходимо обмениваться данными. Если выбрана неправильная частота, системы могут быть не в состоянии «общаться» друг с другом или терять данные.

2. Пакет

Исторически устройства на основе кварца обычно изготавливались с использованием металлических корпусов со сквозными отверстиями.Однако с появлением технологии поверхностного монтажа устройства уменьшились в размерах, а конструкция была заменена корпусами на керамической основе.

Обычно кристалл помещается в корпус стандартного промышленного размера. Они варьируются от пакетов 7,0 x 5,0 мм до пакетов 1,2 x 1,0 мм. В настоящее время есть даже кристаллы, помещенные в корпус размером 1,0 x 0,8 мм.

Также стоит учесть, что частотный диапазон будет уменьшен при использовании меньших по размеру устройств синхронизации. Для получения дополнительной информации прочтите наш блог: Как найти идеальный размер — соображения при выборе размера устройства отсчета времени .

3. Допуск по частоте

Допуск по частоте определяет точность при комнатной температуре (25 ° C) и устанавливается во время изготовления кристалла.

Важно не переоценивать очень низкие значения допуска по частоте, поскольку это влияет на стоимость единицы и точность, достигаемую в схеме приложения, в сочетании с низкими значениями емкости нагрузки.

4. Стабильность частоты

Стабильность частоты — это мера того, как частота изменяется в зависимости от температуры, а полученные характеристики зависят от угла среза используемого кварца.

На Рисунке 1 показано изменение частоты в зависимости от температуры для различных углов резания.

Рисунок 1: График зависимости частоты от температуры

Стабильность частоты — один из наиболее важных параметров, зависящих от приложения, помимо номинальной частоты. Характеристики электронной системы будут зависеть от общего значения стабильности и могут варьироваться от широких значений от ± 100 ppm до ± 10 ppm.

Если вам требуется более высокая стабильность, лучше выбрать одно из других наших устройств синхронизации, например кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO) или кварцевый генератор с термокомпенсацией (OCXO).

5. Диапазон рабочих температур

Диапазон рабочих температур указан в сочетании со стабильностью частоты, поскольку эти два значения связаны. Температурный диапазон также зависит от области применения: от коммерческого использования, например, от -20 до 70 ° C, до автомобильного использования при температуре от -40 до 125 ° C.

Важно не переоценивать температурный диапазон или стабильность, поскольку это может иметь финансовые последствия.

Кристалл кварца, указанный при температуре от -20 до 70 ° C, по-прежнему будет работать в более широких диапазонах температур, но не будет обеспечивать такую ​​же стабильность.

6. Емкость нагрузки

Емкость нагрузки — это значение емкости, которое кварцевый кристалл должен видеть в цепи генератора для достижения оптимальной точности частоты при комнатной температуре.

Если на кристалл подано неправильное значение емкости нагрузки, он отодвинет частоту от ее номинального значения и, в худшем случае, приведет к выходу частоты за пределы допуска.

Также важно отметить, что указание низких значений емкости нагрузки делает кристалл более тянущим, а это означает, что частота будет больше отклоняться. Это затрудняет достижение номинальной точности частоты.

Для получения дополнительной информации о емкости нагрузки, тяговом усилии и выборе правильных значений конденсаторов прочтите сообщения в нашем блоге: Мифы о емкости нагрузки — как выбрать правильные конденсаторы и Как несколько пикофарад могут испортить вашу точность синхронизации .

Для достижения проектных целей может потребоваться рассмотрение других параметров в дополнение к стандартным параметрам; к ним относятся эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), старение и уровень возбуждения.

Для получения дополнительной информации об этих дополнительных значениях для приложения, пожалуйста, свяжитесь с нашей группой поддержки приложений.

QCM: Почему измерение обертонов имеет значение

Как упоминалось ранее [1], обычные системы QCM измеряют изменения основной резонансной частоты, а иногда и сопротивление, которое может каким-то образом быть связано с диссипативными свойствами пленки или среды.

Усовершенствованные системы, основанные на измерениях импеданса или обратного звонка, дают доступ к истинному рассеянию, половинной ширине полосы или добротности и позволяют проводить измерения на нескольких обертонах [1]. Количество разрешенных обертонов зависит от полосы пропускания инструмента и от основной резонансной частоты кварца.

Порядок обертонов должен быть нечетным (1, 3, 5…) для обеспечения антисимметричной картины движения кварца. Если порядок обертонов четный (2, 4, 6…), деформация симметрична и между электродами нет тока [4].{\ text {rd}} $ обертон может быть измерен.

На рисунке 1 показано колебательное движение кварца на основной частоте $ f_0 $ (вверху) и третьей гармонике $ 3f_0 $ (внизу).

Рисунок 1: Кварц на основной частоте $ f_0 $ (вверху) и третьей гармонике $ 3f_0 $ (внизу).

Зачем измерять обертоны или гармоники? E Обеспечивает справедливость уравнения Зауэрбрея.{\ text {rd}} $ гармоника, которую затем можно рассматривать как более надежное измерение изменения резонансной частоты. Это видно на рис.2 из [5].

Рисунок 2: Абсолютная частота нескольких кристаллов 5 МГц — # 60, 66 и 67 (два измерения): (сплошные формы), измеренные на различных обертонах с помощью прибора QCM-D в воздухе, по сравнению со значениями (незакрашенные формы ) $ f_n / n $ получено теоретически. Все частоты масштабируются в порядке обертонов.

Измерения гармоник необходимы для расширенной интерпретации данных

Рассеяние и сдвиг резонансной частоты необходимы на нескольких гармониках, когда нужно изучить и охарактеризовать вязкоупругие однородные тонкие пленки, частицы, молекулы или конформации.

Пока исследуемый объект представляет собой рост или осаждение жесткой тонкой пленки или тонкой пленки Зауэрбрея или эластичной пленки, механический отклик не зависит от частоты.Это не тот случай, когда объектом исследования является вязкоупругая пленка, то есть пленка, в которой энергия волны как упруго переносится, так и вязко рассеивается. В этом случае отклик системы, состоящей из кварца, электродов, пленки и среды (воздуха или жидкости), зависит от входной частоты.

Можно провести параллель между электрической передаточной функцией системы, например импедансом, и механической передаточной функцией системы, например, модулем сдвига.Точно так же, как импеданс $ Z (\ omega) $ (при $ \ omega = 2 \ pi f $) позволяет рассчитать текущий отклик от потенциального входа, модуль сдвига $ G (\ omega) $ позволяет расчет реакции на напряжение от входной деформации. В вязкоупругой пленке модуль сдвига является комплексной функцией, зависящей от частоты.

$ G (\ omega) = \ mathrm {Re} (G (\ mathrm {\ omega})) + j \; \ mathrm {Im} (G (\ mathrm {\ omega})) $

Более подробную информацию можно найти в [4].

[1] Кварцевые микровесы: принципы измерения

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Overtone

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Harmonic

[4] Д. Йоханнсманн, в «Микровесы кристаллов кварца в исследовании мягкой материи», Springer, 2015 г.

[5] И. Ревякин, А. Н. Морозов, Ф. Ф. Россетти, J. Appl. Phys. 95 (2004) 7712.

1. Обертоны и гармоники — подобные термины, хотя кажется, что обертоны в основном используются в области акустики.Более того, в то время как «гармоники» означают несколько целых чисел основной частоты, включая основную частоту, «обертоны», по-видимому, означают любое кратное и превышающее основную частоту, за исключением основной частоты [2,3].

QCM-D обертоны рассеяние Кварцевые микровесы Уравнение Зауэрбрея вязкоупругие пленки частицы BluQCM