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TU-Clausthal Institut für Physikalische Chemie

Scherwellen-Resonatoren

Diagramm mit zwei Linien, die die Beziehung zwischen zwei Parametern darstellen, und daneben zwei Kreise mit schwarzem Hintergrund
Grafik in der Mitte mit zwei Linien, die von vier Quadraten umgeben sind, auf denen verschiedene graue Formen zu sehen sind

Die Schwingquarz-Mikrowaage gilt als ein außerordentlich einfaches Gerät.  Eine kleine piezoelektrische Scheibe wird durch eine MHz Wechselspannung zu einer Dickenscherschwingung angeregt.  Wenn die Wechselspannung mit der akustischen Resonanz-Frequenz der Platte übereinstimmt, dann wird die Scheramplitude (und zugleich der Strom durch die Elektroden) sehr hoch.  So kann man eine akustische Resonanz sehr einfach elektrisch nachweisen.  Diese Resonanz ist schärfer als alles, was man von elektrischen Schwingkreisen kennt.  Deshalb sind Schwingquarze die Taktgeber in vielen Uhren.

Wenn nun der Kristall in Berührung mit einer Probe kommt, verschiebt sich die Resonanz-Frequenz.  Falls z.B. die Probe ein dünner Film ist, ist die Frequenzverschiebung proportional zur Filmdicke und man kann so die Filmdicke (genauer die Masse des Films in Einheiten von g/cm2) bestimmen.  Dieses Gerät ist die Schwingquarz-Mikrowaage.

Was aber, wenn die Probe kein dünner Film ist, sondern ein Biofilm, ein Sandhaufen, ein Gel, oder ein Schaum?  Dann hilft die Sauerbrey-Gleichung alleine nicht weiter.  Wir können aber der Schwingquarz-Mikrowaage über die Frequenzverschiebung allein noch mehr Auskünfte über die Probe abringen.  Dies sind

  • Die Bandbreite der Resonanz
  • Frequenz-Verschiebungen und Bandbreiten auf verschiedenen Obertönen
  • Die Abhängigkeit der Frequenz und der Bandbreite von der Schwingungsamplitude<//i>
  • Die Abhängigkeit von Frequenz und Bandbreite von der Erdung der Vorderelektrode

Weiterhin kombiniert man die Schwingquarz-Mikrowaage gern mit anderen Instrumenten der Oberflächenanalytik, zum Beispiel dem Rasterkraft Mikroskop, Elektrochemischer Cyclovoltammetrie oder der Oberflächen-Plasmonen-Mikroskopie.

Zentral für die Analyse ist die "small load approximation".  Solange die Frequenzverschiebung sehr viel kleiner ist als die Frequenz selbst, ist die Frequenzverschiebung Δf proportional zu der gleichphasigen Komponente der Lateral-Spannung an der Oberfläche der Scheibe.  Die Bandbreite ist proportional zur phasenverschobenen Komponente der Spannung.  Diese Spannungen kann man auch für komplexe Proben numerisch berechnen, z.B. mit der Methode der Finiten Elemente .

Aktuell interessieren wir uns besonders für die Hochfreqenz-Kontaktmechanik, die wir mit Quarz-Resonatoren untersuchen. Hier sind Unterlagen zur Analyse viskoelastischen Modellierung von weichen Proben auf Quarz-Resonatoren.

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