应用于扫描探针显微镜的石英音叉机械模型研究

石英音叉作为力传感器广泛地应用于各种扫描探针显微镜,主要涉及石英音叉的同相振动和反相振动两种振动模式.通过实验方法和有限元仿真方法对石英音叉的两种振动模式进行研究,发现石英音叉的双臂之间以及双臂与音叉的基部之间都存在耦合作用,双臂之间的耦合使音叉的反相共振频率升高,双臂与基部之间的耦合使音叉的同相共振频率降低.针对两种振动模式的动态特性建立了石英音叉的机械模型并进行合理简化.简化模型是一个四弹簧三质点系统,计算了简化模型的参数.通过一个音叉臂等效质量变化与音叉反相共振频率变化之间的定量关系证明了简化机械模 关键词： 扫描探针显微镜 石英音叉 振动模式 机械模型     

微型石英音叉陀螺模态特性的有限元分析

MEMS石英音叉陀螺是近年来发展起来的新型惯性器件。在石英音叉的早期设计阶段,为了提供可靠的设计方案,并缩短设计周期,应该对其进行分析模拟。音叉的结构参数至关重要,不仅会影响陀螺的敏感性,还会影响其检测精度和稳定性。本文以U形音叉为例,利用大型有限元分析软件ANSYS建立了微型石英音叉的实体模型,对其模态特性进行了分析和计算,分析了音叉几何尺寸对其谐振频率的影响,并提供了一组可供实际制作的音叉结构参数,大大缩短了设计周期。     

石英音叉陀螺音叉封装问题研究

封装是石英音叉陀螺的关键工艺,封装管壳的选择、封装方式及石英音叉的固定形式对音叉的性能有直接影响。封装管壳的有限元仿真分析,可以作为封装管壳选取的依据。采用单点固定封装方式有利于石英音叉工作性能的稳定。实验中通过改变封装盖板的开合状态来改变封装方式,石英音叉的阻尼和品质因数发生了明显的改变。     

音叉受迫振动与共振现象的研究

研究了在不同测试条件下音叉的受迫振动与共振的规律.实验结果表明:音叉的共振频率与音叉双臂质量分布有关,所加的质量块越靠近音叉的节点,共振频率变得越小;改变磁性阻尼的大小,阻尼越大,共振频率和幅度越小;当驱动线圈与接收线圈同时向音叉节点处移动时,音叉幅频特性曲线的共振幅度逐渐减小,但共振频率逐渐增大.如果保持驱动线圈位置不变,接收线圈向音叉节点处移动时,共振频率基本保持不变,而共振幅度越来越小.     

干涉法测量音叉振动

采用干涉法对音叉受迫振动的位移振幅、速度振幅以及音叉振动与外加周期性驱动力的相频关系做了测量与探究.实验结果表明,位移共振频率与速度共振频率近似相等;音叉达到共振时,音叉振动与外加周期性驱动力存在π/2的相位差.利用干涉的方法可对音叉受迫振动的位移振幅、速度振幅以及音叉振动与外加周期性驱动力的相频关系同时进行研究,并且可观测到调节信号源频率至共振频率过程中相位差的改变,以及达到共振时施加外在扰动后相位差偏离π/2而后恢复的过程.     

音叉共鸣实验成功的关键

用音叉演示声音共鸣的过程是：取两个频率相同的音叉A和B，将它们插在共呜箱上摆放在一起．用橡皮糙敲击音叉A的叉股，使音叉A发声．过一会儿，用手按住音叉A的叉股，使它停止振动，这时音叉A不发声了，却听到音叉B在发声．实际作这个实验时，因音叉选取不当，或操作方法不妥，音叉B发出的声音因响度不够，实验效果很不明显，根据经验，共鸣实验演示成功的关键，应注意以下几点．1．音叉和共鸣箱选取要合理．发生共鸣时，原先不发声的音叉必须从声波中获得足够大的能量，才有较大的响度，共呜声才明显，因此实验时应选用发声功率较大的…     

共振音叉实验的改进

音叉共鸣箱垫片的老化或弹性不足,严重影响了声音共鸣的演示效果.经研究发现,只要在音叉的共鸣箱底部垫上泡沫塑料即可达到预期的演示效果.为达到最佳的演示效果,还探讨了敲击音叉的部位及音叉的数量和摆放方式.     

悬挂共振音叉改进共鸣实验

为了使共振音叉达到较好的效果,自制了一对共振音叉的悬挂装置及其附件,用该装置可以将2个共振音叉悬挂起来,其演示效果较好.同时,本文探讨了共振音叉不同的悬挂方式,并介绍了如何演示共鸣实验和利用该装置演示声波的干涉实验.     

胶粘剂对石英音叉剪切力控距的影响

粘接音叉和光纤探针的胶粘剂对由石英音叉和光纤探针构成剪切力控距体系的品质因数有明显的影响。通过对比不同胶粘剂的物理特性 ,选择了适合于粘接音叉和光纤探针的胶粘剂。研究发现 ,室温快速固化环氧树脂胶粘剂HY 91 4 ,GHJ光学用环氧型胶粘剂 (Opticalepoxy)和 50 2胶能满足实验要求。理论分析指出 ,对于同样的音叉和光纤探针来说 ,胶粘剂的密度和用量是影响音叉 探针体系品质因数的主要因素     

石英晶振用于石英增强光声光谱系统的优化实验研究

研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、安放角度、探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEPAS)的探测灵敏度影响。测试了国内外十种不同音,结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm-1)时获得更高的灵敏度,探测信号的强度相差高达50%。在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中,发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响,但是当光束以角度φ斜入射时,更多的噪声被带入到测量中。在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响,发现随着污染物的附着,石英音叉的频率会呈现降低的趋势,提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法,为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能,这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。     

自制音叉的对称性与非对称性破坏性实验研究

文中对自制对称正型音叉与自制非对称异型音叉受力F后音叉产生的振动的现象进行了研究,用DIS声传感数字化信息系统采集振动频率,研究频率与音叉叉股长度的关系,从而对音叉叉股对称与非对称的情况进行研究。     

Theoretical analysis of a quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor

Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) sensors are based on a recent approach to photoacoustic detection which employs a quartz tuning fork as an acoustic transducer. These sensors enable detection of trace gases for air quality monitoring, industrial process control, and medical diagnostics. To detect a trace gas, modulated laser radiation is directed between the tines of a tuning fork. The optical energy absorbed by the gas results in a periodic thermal expansion which gives rise to a weak acoustic pressure wave. This pressure wave excites a resonant vibration of the tuning fork thereby generating an electrical signal via the piezoelectric effect. This paper describes a theoretical model of a QEPAS sensor. By deriving analytical solutions for the partial differential equations in the model, we obtain a formula for the piezoelectric current in terms of the optical, mechanical, and electrical parameters of the system. We use the model to calculate the optimal position of the laser beam with respect to the tuning fork and the phase of the piezoelectric current. We also show that a QEPAS transducer with a particular 32.8 kHz tuning fork is 2–3 times as sensitive as one with a 4.25 kHz tuning fork. These simulation results closely match experimental data.     

音叉受迫振动规律及计算机实时测量

对音叉作受迫振动的规律及音叉振动周期与双臂质量的关系进行了研究,自制了新型的音叉受迫振动与共振实验仪,该仪器不仅可以手工调节做实验,而且可以实现计算机实时测量.     

弦线受迫振动实验的研究Ⅰ实验部分

从实验上认真地观察了音叉的齿与弦线垂直时弦的振动实验情况，并对实验现象给出相应的物理解释。     

相位差法测受迫振动的阻尼系数

利用音叉在受迫阻尼振动中速度与驱动力之间的相位差测定了阻尼系数.该方法在系统的稳定状态下读数,克服了通常所用的振幅衰减方法中的不稳定性,可降低人为因素给测量带来的误差.     

用计算机研究音叉共振频率和双臂质量的关系

介绍用计算机研究音叉受迫振动时,振幅与驱动力的频率关系,以及音叉双臂质量与共振频率的关系,这种方法与以往用示波器观察的方法相比更加精确和实用。     

驻波实验中"二分频"现象的探讨

在大学物理实验教材中常用音叉弦振动形成共振驻波来测量音叉的振动频率,但对其中的"二分频"现象无相关的理论解释,本文在建立与‘‘二分频"现象相似的模型中,用数值计算的方法演示了这一结果.     

QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算，获得石英音叉前6阶振型与模态频率，认知了第4阶对称摆动振型为有效振动，利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l₁、音臂宽度w₁、音臂厚度t、音臂切角θ、音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率(Fre)的影响，敏感度依次为： l₁> w₁>d>θ>t>h，考虑实际设计情形，筛选出了l₁，w₁，d与h四个石英音叉设计变量，采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法，以Fre为函数目标，建立l₁，w₁，d与h的二次回归响应面模型，得到了参数之间的交互作用，利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求，结果表明，在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小，基本满足QEPAS系统的计算需求，所提出的研究与设计方法具有一定通用性，可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。     

Application of a self-sensing conductive probe for Si device imaging

For the evaluation of two-dimensional carrier profiles in semiconductor devices, we have developed a novel form of probe–sensor combined unit that uses an etched tungsten wire as a conductive probe, and commercially available quartz tuning fork as the force sensor. This unit has a self-sensing capability due to the piezoelectric effect of quartz tuning fork, thus obviating optical setup, and its conductivity is higher and more stable than that of conventional metal-coated Si cantilever. In addition, this probe–sensor combined unit is inexpensive and easy to use, when compared to the well-known optical methods of Si-based cantilever vibration detection system. Our scanning probe microscope using this probe–sensor combined unit is able to mapping the capacitive gradient signal (dC/dZ image) and internal damping of quartz tuning fork oscillation (dissipation image) while scanning the sample surface. In this letter, we show the results of visualization of the p–n junction locus of a Si metal–oxide–semiconductor field effect transistor in both dC/dZ and dissipation images.     

全光型石英增强光声光谱

设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为1.13×10^-6 cm^-1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径. 关键词： 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 气体传感