石英晶體微天平的基頻重要嗎?

在石英晶體微天平儀器的技術(shù)指標(biāo)和實驗描述中，總是會以基頻為參考指標(biāo)。 常見的基頻為5-10 MHz，也可以是15 MHz、30 MHz甚至更高�；�頻真的重要嗎？我們將在此文中詳細(xì)說明并解釋石英晶體微天平的基頻對測量的意義。
與石英晶體微天平基頻相關(guān)的屬性和性能
石英晶體微天平的基頻f0指的是石英晶體可以被激發(fā)引起振蕩的最低頻率。這個特定頻率與幾個關(guān)鍵屬性相關(guān)，例如：

1. 芯片厚度，h
2. 理論質(zhì)量靈敏度，C
3. 傳感深度，δ
4. 諧頻共振頻率

1. 芯片厚度
如式(1)所示，基頻與芯片的厚度h成反比。基頻越高，芯片越薄。例如，一個5 MHz的芯片厚度約為334μm，一個10 MHz的芯片厚度為其一半，厚度約為167 μm。

2. 理論質(zhì)量靈敏度
如式(2)所示，根據(jù)Sauerbrey方程，石英晶體微天平的質(zhì)量靈敏度C與基頻的平方成反比。理論上，這意味著基頻越高，靈敏度越好，即可以檢測到更小的質(zhì)量變化。例如，5 MHz和10 MHz芯片的理論質(zhì)量靈敏度分別為17.7 ng/cm²和4.4 ng/cm²，這意味著10MHz芯片對給定表面質(zhì)量的頻率響應(yīng)是5MHz芯片的4倍。
從靈敏度的角度來看，高的基頻似乎非常可取。然而，在實踐中，事情并非如此簡單。有幾個因素使得高基頻并不是更好的選擇。
首先，如前所述，基頻越高，芯片越薄。當(dāng)基頻高到一定程度時，芯片會變得非常薄和脆弱，以至于無法獨立使用¹。
其次，頻率越高，測量時的噪聲越大。這有幾個原因： 一是制造過程中，芯片的平整度和厚度缺陷是無法完全避免的。芯片的厚度越薄，對共振質(zhì)量的負(fù)面影響越大。 此外，驅(qū)動和測量電子設(shè)備中的噪聲水平隨頻率的增加而上升，從而導(dǎo)致測量的不確定性。
考慮到上述情況，人們可能會認(rèn)為厚的芯片（低基頻）是理想的。 然而，事情也并非那么簡單。 所有晶體都有例如位錯和雜質(zhì)等缺陷。 這些缺陷會對共振質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，缺陷越少越好。 從這個角度來看，人們會喜歡與厚晶體相比具有較少缺陷的薄晶體。 因此，我們通常需要在芯片的厚度上進行綜合權(quán)衡。
綜上所述，理論靈敏度高與更好的質(zhì)量檢測限不具有直接相關(guān)性。信噪比和長期穩(wěn)定性等因素更為重要，這將決定您的測量結(jié)果質(zhì)量。
3. 傳感深度
第三個與共振頻率相關(guān)的參數(shù)是傳感深度δ。如式（3）所示，它與振蕩頻率的平方根成反比。 頻率越高，檢測到的薄膜層最大厚度就越薄。 例如，室溫下，5,10和30MHz晶體的剪切波在水中的穿透深度分別為~250nm，~180nm和~100nm。
4. 諧頻頻率
 
最后需要考慮的一點因素是共振諧頻。 為了對QCM的數(shù)據(jù)進行粘彈性模型分析，需要使用多個諧頻的頻率和耗散信息。 對于傳統(tǒng)的QCM，晶體在厚度-剪切模式下振蕩，只能激發(fā)奇次諧頻，即諧頻是基頻的奇數(shù)倍。 例如，要獲得5 MHz芯片的7個多倍諧頻，您需要能夠激發(fā)高達65 MHz的晶振子。 10 MHz和30 MHz晶體的相應(yīng)頻率分別為130 MHz和390 MHz，如前所述，隨著頻率的增加，噪聲的影響將越來越明顯。
QCM的基頻非常重要
 
QCM的基頻與芯片厚度、理論質(zhì)量靈敏度、傳感深度和諧頻頻率大小等性能參數(shù)有關(guān)。最需要關(guān)注的參數(shù)是理論質(zhì)量靈敏度，因為理論質(zhì)量靈敏度隨著基頻的增加而上升。人們本能地追求更高的基頻。然而,有效的質(zhì)量靈敏度即在實際測量情況下獲得的靈敏度，并不一定與理論值一致。這是由于有效質(zhì)量靈敏度可能會隨著噪聲的增加以及硬件和電子設(shè)備的局限而顯著降低，這將影響芯片在實際測試數(shù)據(jù)輸出時的質(zhì)量靈敏度。
如需了解更多關(guān)于與石英晶體微天平技術(shù)參數(shù)相關(guān)的因素及其原因，請下載附件中的指南。