ISBN 9783843903271

978-3-8439-0327-1, Reihe Elektrotechnik

Raimund Brünig
Modellierung von akustischen Dickenscherschwingern im Frequenzbereich

151 Seiten, Dissertation Technische Universität Dresden (2011), Hardcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Akustische Dickenscherschwinger (engl. Acoustic Thickness Shear Mode Resonator, TSM, auch QCM, quartz crystal microbalance) besitzen aufgrund ihrer sehr hohen Empfindlichkeit eine große Bedeutung als Sensoren in der Materialforschung sowie den Biowissenschaften und werden zur Bestimmung von Flüssigkeitseigenschaften oder zur Untersuchung von Anlagerungsreaktionen wie der Anbindung von DNA oder Proteinen genutzt. In dieser Arbeit wird ein umfassendes analytisches Modell entwickelt, um das Verhalten von Dickenscherschwingern in einem großen Frequenzbereich zu beschreiben. Grundlage dazu ist die Beschreibung der frequenzabhängigen elektrischen Impedanz der TSM. Dazu wird ein dreiteiliger Modellansatz bestehend aus der Beschreibung der elektrischen Impedanz, der Beladungsgeometrie und dem Frequenzverhalten der Beladung gewählt. Es wird gezeigt, dass sich existierende Modellansätze als Spezialfall des hier vorgestellten Modells ausdrücken lassen. Mit Hilfe des neuen Modells kann die elektrische Impedanz in einem großen Frequenzbereich, welcher auch die immer vorhandenen Oberschwingungen umfasst, berechnet werden. Mit Hilfe einer Anpassung von Modellkurven an Messpunkte werden physikalische und geometrische Eigenschaften der Beladung, beispielsweise Schichtdicken oder Flüssigkeitsviskositäten, bestimmt. Mit Hilfe einer speziell konzipierten temperaturstabilen und chemisch beständigen Messkammer wurde eine Vielzahl experimenteller Untersuchungen zur Validierung des TSM-Modells durchgeführt. Durch die Betrachtung der elektrischen Impedanz der TSM in einem großen Frequenzbereich, inklusiver mehrerer Obertöne, kann zusätzlich die Frequenzabhängigkeit der Beladung bestimmt werden. In scherakustisch dicken Metallschichten wurde das Auftreten von Schichtresonanzen bei geradzahligen Vielfachen der Grundschwingung beobachtet und korrekt im Modell abgebildet. Die neue umfassende Betrachtung im Frequenzbereich erlaubt eine Berücksichtigung störender Einflüsse und damit eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung physikalischer Beladungseigenschaften mit dem TSM.