Dynamical measurements with quartz resonators

Abstract

Dynamische Messungen mit Quarzresonatoren Die Resonanzfrequenz von Quarzoszillatoren liegt im MHz-Bereich. Die Resonanzen haben hohe Gueten und sind somit empfindlich auf kleine Aenderungen an der Resonatoroberflaeche. 1. Es wurde ein Aufbau entwickelt, um Reibung bei hohen Oberflaechengeschwindigkeiten zu messen (v = 1 m/s). Bei Annaeherung einer Kugel steigen Resonanzfrequenz sowie -breite des Schwingquarzes an. Für groeßere Normalkraefte entsteht ein elastischer Kontakt, der die Frequenzerhoehung erklaert. Kurz vor Eintreten dieses Kontaktes durchlaeuft die Daempfung ein Maximum, das charakteristisch ist für das Auftreten von Reibung. Bei Erhoehung der Schichtdicke (0,4-2,5 nm) einer Schmiermittelbeschichtung (Perfluoropolyether) verringern sich sowohl die Hoehe als auch die Breite dieses Maximums. Es verschwindet mit vollstaendiger Belegung mit einer Monolage (ca. 2 nm). Dies wird durch einen intermittierenden Kontakt der beiden Oberflaechen erklaert. 2. Die Schwingquarzoberfläche wurde mit Polymerbuersten verschiedener Schichtdicken (12-230 nm) beschichtet. Der Loesungsmittelgehalt in diesen Filmen variiert mit dem Dampfdruck der umgebenden Toluolatmosphaere. Bei Trocknung durchlaufen die Filme einen loesungsmittelinduzierten Glasuebergang. Die Sorptionskurven (Loesungsmittelgehalt gegen Dampfdruck) zeigen eine Knick beim Glasuebergang, ihre Ableitungen dagegen eine Stufe. Fuer duenner werdende Schichten verschiebt sich diese Stufe zu niedrigerem Dampfdruck sowie geringerem Loesungsmittelgehalt. Außerdem wird sie breiter und ihre Hoehe nimmt ab.

Dynamical Measurements with Quartz Resonators 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.