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Dynamical measurements with quartz resonators

Alexander Laschitsch

ISBN 978-3-89722-427-8
205 Seiten, Erscheinungsjahr: 2000
Preis: 40.50 €
The resonance frequency of quartz crystal oscillators is in the MHz-range. The resonances have high quality factors and, therefore, the resonators are sensitive to small changes at the surface.

1. A setup was developed to measure friction at high surface speeds (v = 1m/s). This is an issue in hard-disk industry. When a sphere approaches the surface of a quartz resonator its resonance frequency and bandwidth increase. For higher normal forces the contact is elastic which can explain the increase in frequency. Shortly before this contact is established the bandwidth passes through a maximum which is characteristic of friction. When increasing the thickness (0.4-2.5 nm) of a lubricant coating (perfluoropolyether) this maximum decreases in height and width until it disappears for complete monolayer coverage (ca. 2 nm). This is ascribed to intermittent contact between the sliding surfaces.

2. The quartz resonator surface was coated with polymer brushes of varying thickness (12-230 nm). The solvent content in these films varies with the vapor pressure of the surrounding toluene atmosphere and upon drying the films undergo a solvent-induced glass transition. The sorption curves (solvent content vs. vapor pressure) display a kink at the glass transition, their derivatives display a step. For thinner films this step shifts to lower vapor pressures and a lower solvent content. Further, it becomes wider and its height decreases.


Dynamische Messungen mit Quarzresonatoren

Die Resonanzfrequenz von Quarzoszillatoren liegt im MHz-Bereich. Die Resonanzen haben hohe Güten und sind somit empfindlich auf kleinste Änderungen an der Resonatoroberfläche.

1. Es wurde ein Aufbau entwickelt, um Reibung bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten zu messen (v = 1 m/s). Bei Annäherung einer Kugel steigen Resonanzfrequenz sowie -breite des Schwingquarzes an. Für größere Normalkräfte entsteht ein elastischer Kontakt, der die Frequenzerhöhung erklärt. Kurz vor Eintreten dieses Kontaktes durchläuft die Dämpfung ein Maximum, das charakteristisch ist für das Auftreten von Reibung. Bei Erhöhung der Schichtdicke (0,4-2,5 nm) einer Schmiermittelbeschichtung (Perfluoropolyether) verringern sich sowohl die Höhe als auch die Breite dieses Maximums. Es verschwindet mit vollständiger Belegung mit einer Monolage (ca. 2 nm). Dies wird durch einen intermittierenden Kontakt der beiden Oberflächen erklärt.

2. Die Schwingquarzoberfläche wurde mit Polymerbürsten verschiedener Schichtdicken (12-230 nm) beschichtet. Der Lösungsmittelgehalt in diesen Filmen variiert mit dem Dampfdruck der umgebenden Toluolatmosphäre. Bei Trocknung durchlaufen die Filme einen lösungsmittelinduzierten Glasübergang. Die Sorptionskurven (Lösungsmittelgehalt gegen Dampfdruck) zeigen eine Knick beim Glasübergang, ihre Ableitungen dagegen eine Stufe. Fuer dünner werdende Schichten verschiebt sich diese Stufe zu niedrigerem Dampfdruck sowie geringerem Lösungsmittelgehalt. Außerdem wird sie breiter und ihre Höhe nimmt ab.

Keywords:
  • Quartz Crystal Resonator
  • Friction
  • Lubrication
  • Nanotribology
  • Ultrathin Polymer Films

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