Wyznaczanie wysokoczęstotliwościowych parametrów materiałów lepkosprężystych za pomocą rezonatorów kwarcowych

• Autorzy: Jasek K. , Pasternak M. , Grabka M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2018.11.7

Warianty tytułu

EN

Determination of high-frequency parameters of viscoelastic materials using quartz resonators

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wartości statycznych modułów ścinania są dostępne w literaturze dla wielu materiałów, jednak zmieniają się one istotnie w trakcie drgań o wysokich częstotliwościach. W artykule opisano metody wyznaczania wysokoczęstotliwościowego modułu ścinania materiałów lepkosprężystych z zastosowaniem rezonatorów kwarcowych pracujących z drganiami ścinającymi. Parametr ten jest niezbędny przy różnych obliczeniach o charakterze inżynierskim, gdzie należy uwzględnić własności lepkosprężyste materiałów, przede wszystkim polimerów. Znajomość tego modułu jest także ważna z punktu widzenia modelowania lepkosprężystych parametrów warstw sensorowych w czujnikach z falą akustyczną. W artykule podano metodę ekstrakcji zespolonego modułu ścinania materiałów naniesionych na drgający rezonator kwarcowy oraz zasadnicze ograniczenia tej metody.

EN

The values of static shear moduli for many materials are available in specialistic literature, however these values change essentially during high frequency vibration. In the paper some methods for determination of high frequency complex shear modulus of viscoelastic materials using thickness-shear mode quartz resonators were described. The complex shear modulus value is required for different engineering calculations where viscoelastic parameters of materials, especially polymers, have to be taken into consideration. The knowledge about viscoelastic properties of materials is also necessary for theoretical modelling of sensitive layers parameters in acoustic wave sensors. In the paper the methods of extraction of complex shear modulus of materials deposited on vibrating quartz resonator were described. The fundamental limitations of the methods are given as well.

Słowa kluczowe

PL

warstwy lepkosprężyste; zespolony moduł ścinania; rezonatory kwarcowe

EN

viscoelastic layer; complex shear modulus; quartz resonators

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 59, nr 11
• Strony: 34--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Jasek K.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Warszawa

autor

Pasternak M.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Warszawa

autor

Grabka M.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Warszawa

Bibliografia

• [1] D. S. Ballantine, Jr. ed., (1997) Acoustic Wave Sensors. Theory, Design, and Physico-Chemical Applications, Academic Press, San Diego.
• [2] A. Arnau ed., (2008) Piezoelectric Tranduces and Application, sd. ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Ch. 7, Viscoelastic Properties of Macromolecules, pp. 206-222.
• [3] Y. Jiménez, R. Fernández, R. Torres, A. Arnau, (2006) A Contribution To Solve the Problem of Coating Properties Extraction in Quartz Crystal Microbalance Applications, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 53, 5, pp. 1057-1072.
• [4] E. Reed, K. Keiji Kanazawa, J. H. Kaufman, (1990) Physical description of a viscoelastically loaded AT-cut quartz resonator, J. Appl. Phys. 68, 5, pp. 1993-2001.
• [5] V. E. Granstaff, S. J. Martin, (1994), Characterization of a thickness-shear mode quartz resonator with multiple nonpiezoelectric layers, J. Appl. Phys. 75, 3, pp. 1319-1329.
• [6] R.W. Cernosek, S. J. Martin, A. R. Hillman, and H. L. Bandey, (1998) Comparison of Lumped-Element and Transmission-Line Models for Thickness-Shear-Mode Quartz Resonator Sensors, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 45, 5, 1399-1407.
• [7] V. M. Mecca, (1994) Loaded vibrating quartz sensors, Sensors and Actuators A, 40, 1-27.
• [8] R. Krimholtz, D. A. Leedom, G. L. Matthaei, (1970) New equivalent circuits for elementary piezoelectric transducers, Electron. Lett., 6, 13, pp. 398-399.
• [9] S. J. Martin, V.E. Granstaff, G.C. Frye, (1991), Characterization of a Quartz Crystal Microbalance with Simultaneous Mass and Liquid Loading, Anal. Chem., 63, pp. 2272-2281.
• [10] F. M. White, (1991) Viscous Fluid Flow, New York, McGraw-Hill.
• [11] K. K. Kanazawa, J. G. Gordon II, (1985) The oscillation frequency of a quartz resonator in contact with liquid, Analytica Chimica Acta, 175, pp. 99-105.
• [12] S. J. Martin, G. C. Frye, (1991) Polymer Film Characterization Using Quartz Resonators, Proc. IEEE Ultrason. Symp. 393-398.
• [13] C. E. Reed, K. K. Kanazawa, J. H. Kaufman, (1990) Physical description of a viscoelastically loaded AT-cut quartz resonator, J. Appl. Phys. 68, 5, pp. 1993-2001.
• [14] IEC (1986) Measurement of quartz crystal unit parameters by zero phase technique in pi-network (Part 1) International Electrotechnical Commission - IEC Standard, publication 444-1.
• [15] A. Arnau ed., (2008), Piezoelectric Tranduces and Application, sd. ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Ch. 5, Interface Electronic Systems for AT QMB Sensors, pp. 117-186.
• [16] M. Yang, M. Thompson, (1993) Multiple Chemical Information from the Thickness Shear Mode Acoustic Wave Sensor in the Liquid Phase, Anal. Chem. 65, pp. 1158-1168.
• [17] C. Behling, R. Lucklum, P. Hauptmann, (1998) The non-gravimetric quartz crystal resonator response and its application for determination of polymer shear modulus, Measurement Science and Technology 9, pp. 1886-1893.
• [18] A. Katz, M. D. Ward, (1996), Probing solvent dynamics in concentrated polymer films with a high-frequency shear mode quartz resonator, J. Appl. Phys. 80, 7, pp. 4153-4163.
• [19] R. Lucklum, A. C. Behling, P. Hauptmann, R. W. Cernosek, S. J. Martin, (1998) Error analysis of material parameter determination with quartz-crystal resonators, Sensors and Actuators A, 66, pp. 184-192.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).