Способ определения чувствительности кварцевых микровесов
METHOD OF DETERMINING SENSITIVITY OF QUARTZ MICROBALANCE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к методу регистрации малых масс, основанному на использовании пьезорезонансных масс-чувствительных датчиков, которые получили название кварцевые микровесы (КМВ). Основу КМВ составляет кварцевый резонатор, образованный из кристалла кварца, срезанного под определенным углом. Принцип действия КМВ базируется на зависимости сдвига резонансной частоты от массы осажденного на поверхность резонатора вещества. Как и для любого прибора для измерения массы для КМВ необходимо определение чувствительности весов.
В общем случае для определения чувствительности КМВ может быть использован известный расчетный способ, включающий построение зависимости приращения массы Δm осажденного вещества на единицу площади от изменения резонансной частоты Δƒ кварцевого резонатора по соотношению Зауэрбрея (Суровая В.Э., Бугерко Л.Н., Суровой Э.П., Бин С.В. Исследование наноразмерных пленок никеля методом Зауэрбрея // Ползуновский вестник. - №4, т. 2, 2015, с. 90-93). Это теоретическое соотношение имеет вид:
0
где ƒ- резонансная частота кварцевого резонатора;
N - частотный коэффициент кварцевого резонатора;
k
ρ - плотность кристалла кварца;
peз
S - площадь рабочей поверхности кварцевого резонатора, на которую нанесено вещество.
При этом коэффициент массовой чувствительности вычисляется по формуле:
Данный способ имеет практическое значение при условии, что все параметры кварцевого резонатора известны с требуемой точностью. В настоящее время существует большое количество разновидностей кварцевых резонаторов, однако их физико-механические характеристики с приемлемой точностью известны лишь для малого числа видов, либо отсутствуют соответствующие измерительные приборы для определения характеристик. Это существенно ограничивает применение расчетного способа определения чувствительности в исследовательской практике.
Наиболее близким техническим решением является способ определения чувствительности кварцевых микровесов, включающий осаждение вещества на рабочую поверхность кварцевого резонатора от эталонного источника, определение массы осажденного вещества и вычисление коэффициента чувствительности в виде приращения осаждаемой массы на единицу изменения резонансной частоты кварцевого резонатора и площади его рабочей поверхности (Иванов А. Ю., Плохотниченко А.М. Низкотемпературные кварцевые микровесы // Приборы и техника эксперимента. - 2009, №2, с. 166-169).
В этом способе для определения чувствительности было изготовлено несколько пар алюминиевых чашек диаметром 8 мм с разбалансом веса не более 30 мкг. Одна из пары чашек крепилась на поворотном криогенном блоке, который охлаждался до 5 К. После охлаждения на эту чашку напыляли пленку основания ДНК урацила массой около 200 мкг. Осаждение проводили при постоянном молекулярном потоке вещества из термостабилизированного испарителя, используемого в качестве эталонного источника. Величину молекулярного потока регистрировали КМВ в начале, середине и конце интервала напыления с помощью поворота криоблока. После отогрева криостата чашку извлекали из вакуумной камеры, и измеряли новый разбаланс веса для данной пары чашек путем прямого взвешивания на прецизионных механических весах. Коэффициент массовой чувствительности кварцевого резонатора определялся с учетом общего времени напыления пленки ДНК на алюминиевую чашу, разницу веса чашек до напыления пленки ДНК и после, а также измерения параметров молекулярного потока на КМВ во время поворота криоблока. При этом производилось прямое взвешивание указанных чашек на аналитических весах.
Данный способ определения чувствительности КМВ обеспечивает приемлемую точность определения коэффициента массовой чувствительности кварцевого резонатора, однако достаточно сложен в использовании, так как требует высокого уровня конструктивно-технологического исполнения вспомогательных элементов и систем, а также самого процесса калибровки. Кроме того, прямое взвешивание элементов КМВ для определения массы осажденного вещества на рабочие элементов кварцевого генератора ограничивает определение массовой чувствительности в области малых ее значений.
Задачей изобретения является расширение диапазона применимости способа для КМВ с более высокой массовой чувствительностью (соответственно, более низким коэффициентом массовой чувствительности) при использовании разных типов кварцевых резонаторов.
Технический результат заявляемого изобретения выражается также в упрощении практической реализации способа.
Указанная задача решается тем, что в способе определения чувствительности КМВ, включающем осаждение вещества на рабочую поверхность кварцевого резонатора от эталонного источника, определение массы осажденного вещества и вычисление коэффициента чувствительности в виде приращения осаждаемой массы на единицу изменения резонансной частоты кварцевого резонатора и площади его рабочей поверхности, дополнительно осуществляют осаждение вещества от эталонного источника на вспомогательную поверхность кварцевой пластины, при этом осаждение вещества на рабочую и вспомогательную поверхности периодически чередуют между собой не менее 20 раз путем механического ввода и вывода кварцевой пластины из промежутка между рабочей поверхностью и эталонным источником, задают время осаждения вещества на вспомогательную поверхность, которое не менее, чем в 40 раз, больше времени осаждения вещества на рабочую поверхность, затем путем взвешивания определяют массу вещества, осажденного на вспомогательную поверхность, а массу вещества, осажденного на рабочую поверхность, вычисляют пропорционально суммарному времени, в течение которого на нее производилось осаждение вещества.
пл
рез
пл
рез
Решение поставленной задачи основано на том, что взвешиванием определяется масса вещества, осажденного не на рабочую поверхность кварцевого резонатора, а на вспомогательную поверхность. Поскольку время осаждения на вспомогательную поверхность кварцевой пластины τзначительно больше, чем время осаждения на рабочую поверхность кварцевого резонатора τ, соответственно, пропорционально этим временам различаются и осаждаемые массы. При выборе времени осаждения на вспомогательную поверхность τ в 40 раз и более времени осаждения на рабочую поверхность значение соответствующей массы, осажденной на вспомогательную поверхность, становится достаточным, чтобы бы оно могло быть измерено на аналитических весах с минимальной погрешностью. Предельные значения τ ограничены верхним пределом значения осажденной массы, при котором кварцевый резонатор теряет свойство, описываемое соотношением (1). Таким образом, зная суммарное время осаждения вещества на рабочую поверхность кварцевого резонатора, пропорционально этому времени определяется соответствующее значение массы на рабочей поверхности.
пл
пл
рез
пл
peз
пл
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема реализации предложенного способа. Определение массовой чувствительности КВМ согласно изобретению осуществляется следующим образом. Эталонный источник 1 массы формирует поток 2 частиц вещества. Диафрагма 3 с отверстием с диаметром D из общего потока вырезает центральную его часть для образования фиксированного пятна осаждения с заданной площадью S. Перпендикулярно оси потока размещаются кварцевая пластина 4, вспомогательная поверхность которой обращена к потоку, и кварцевый резонатор 5 с электродами 6. Электроды кварцевого резонатора 5 соединены с генератором 7 высокой частоты, сигналы с которого поступают на частотомер. Кварцевая пластина 4 установлена на механизме, который дает возможность этой пластине совершать плоскопараллельное перемещение из положения, в котором она перекрывает поток вещества, в положение, в котором поток вещества свободно достигает рабочей поверхности кварцевого резонатора. Соответственно, в первом положении вещество осаждается на вспомогательной поверхности кварцевой пластины в виде пятна площадью S, а во втором положении происходит осаждение вещества на рабочую поверхность S кварцевого генератора. Диаметр отверстия диафрагмы 3 выбирается таким образом, чтобы соблюдалось условие S≥S. С другой стороны при слишком большом значении S наблюдается неравномерность слоя осажденного вещества по толщине, приводящая к искажению идентичности формирования слоев на рабочей и вспомогательной поверхностях. Эталонный источник осаждаемого вещества настраивается таким образом, чтобы изменение резонансной частоты Δƒ кварцевого генератора не превышало значения 1 Гц/с, т.к. в противном случае при высокой интенсивности потока вещества и высокой скорости осаждения вещества процессы формирования слоев на рабочей поверхности кварцевого генератора и вспомогательной поверхности пластины будут существенно отличаться.
Осаждение вещества на разные поверхности периодически чередуют между собой, т.е. проводят несколько циклов осаждения. Число таких циклов определяется необходимостью стабилизации теплового состояния поверхностей кварцевого резонатора и кварцевой пластины. Если число циклов будет недостаточным, то возможен перегрев поверхностей при длительном непрерывном воздействии потока вещества на одну из поверхностей. Экспериментально установлено, что для многих типов КМВ желательно принимать число циклов осаждения от 20 и выше. Абсолютные времена осаждения в каждом цикле также выбираются экспериментально с запасом на температурные эффекты и с учетом исходных характеристик выбранного кристалла кварца.
пл
пл
пл.
рез
пл
После окончания процесса осаждения определяют массу вещества ΔМ, осажденного на вспомогательную поверхность кварцевой пластины путем взвешивания на аналитических весах как разность значений до и после осаждения. Значения ΔМ должны быть достаточными для измерения аналитическими весами с необходимой точностью. Для этого соответствующим образом выбирают суммарное время осаждения на вспомогательную поверхность кварцевой пластины τ Искомая масса Δm вещества, осажденного на рабочую поверхность кварцевого резонатора, будет меньше ΔМ пропорционально времени
рез
осаждения на рабочую поверхность τ, т.е.
Соответственно, коэффициент массовой чувствительности определяют по формуле:
Таким образом, в предложенном способе коэффициент массовой чувствительности определяется значениями величин, которые могут быть измерены в широком диапазоне и с высокой точностью. Соответственно, достигается возможность определения массовой чувствительности в области меньших значений регистрируемых масс с помощью КМВ. Способ достаточно прост в реализации, т.к. кроме элементарного механизма для перемещения пластины не требует каких-либо специальных устройств или систем для своей реализации.
Пример осуществления предложенного способа.
-8
2
Осуществлялась калибровка КВМ с кварцевым резонатором на кристалле АТ-среза с резонансной частотой 6 МГц. Расчетный коэффициент массовой чувствительности данного кварцевого резонатора, вычисленный по формуле (1), составляет 1.1×10 г/см⋅Гц (толщина резонатора 0.25 см). В качестве эталонного источника вещества использовалась пластина золота, распыляемая потоком ионов ксенона с энергией 230 эВ. В качестве вспомогательной использована поверхность кварцевой пластины из стекла Levenhuk G100 с размерами сторон 24×24 мм и толщиной 0,15 мм. Начальная масса пластины - около 0.3 г. Механическое устройство обеспечивало перемещение кварцевой пластины из одного крайнего положения в другое за время не более 2 с. Диаметр отверстия диафрагмы составлял 21 мм.
Полное время осаждения составило 18900 с, из них время осаждения на рабочую поверхность - 411 с, а время осаждения на вспомогательную поверхность - 18489 с. Количество циклов чередования осаждения - 21.
m
Максимальное изменение частоты кварцевого резонатора составило Δƒ=335 Гц, масса золота, осажденного на вспомогательной поверхности - 0.35±0.01 мг (взвешивание кварцевой пластины производилось на аналитических весах Сартогосм МВ-210А до и после осаждения). Экспериментальное значение K достаточно хорошо совпадает с его расчетным значением.