一种用于低温下石英晶体微天平质量标定的装置及方法

1.本发明涉及石英晶振技术领域，尤其是涉及一种用于低温下石英晶体微天平质量标定的装置及方法。


背景技术：

2.1880年皮埃尔
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居里和雅克
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居里兄弟发现电气石具有压电效应。次年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。所谓压电效应，是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。随着研究的深入，越来越多的物质被发现具有压电效应，其中就包括石英晶体。
3.1959年，sauerbrey应用压电石英晶体作为超灵敏称重装置，提出石英晶体表面的单位面积质量与共振频移成正比，即sauerbrey方程。方程中的质量灵敏度常数仅取决于石英晶体板的厚度和固有特性，包括其密度和剪切模量。只有当刚性薄膜在表面分布均匀，且其厚度比石英晶体板足够薄时，才能满足方程。石英晶体微天平(qcms)是测量晶体共振变化导致的质量沉积或解吸的传感器。在小质量负载的情况下，sauerbrey方程将样品质量的变化与传感晶体的共振变化线性地联系起来。
4.石英晶体微天平在实际应用上有众多优点。石英晶振作为核心部件，其频率稳定，抗干扰能力强，在远程通信、卫星通信、精密计测仪器等领域被广泛用作标准频率源；且石英晶振具有小型化，片式化的特点，其制造成本低廉，便于在各种产品中集成，应用于质量检测领域时，能够进行原位测量。
5.目前，石英晶体微天平已经成为许多科学领域的一个特别有吸引力的设备。在物理化学领域，可为分析被测液体及薄膜的特性提供额外的信息；在航空航天领域，一种具有温度控制的新型石英晶体微天平设备twin-qcm被用于评估航天器发展过程中的出气特性。而在低温领域，石英晶体微天平纳克级精度测量为痕量水凝华的检测提供了可行的思路。
6.如公开号为cn107290240a的中国专利文献公开了一种石英晶体微天平，包括：石英晶体、高频振荡器和数据处理装置，石英晶体微天平通过测量吸附待测物品前后石英晶体的振荡频率变化以得到待测物品的物质的量。
7.针对痕量水凝华的检测，需要在低温下控制纳克级质量在石英晶振上的沉积。其难点在于如何在低温密封腔中检测沉积物的实际质量；同时，由于石英晶体的振荡频率受温度影响较大，冷表面的温度控制也需要足够精准。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种用于低温下石英晶体微天平质量标定的装置及方法，可以得到低温条件下石英晶振的频率和其表面所沉积质量的关系曲线，达到低温质量标定的目的。
9.一种用于低温下石英晶体微天平质量标定的装置，包括：低温密封腔、椭偏仪设备、温度控制单元、压力及组分控制单元；
10.所述的低温密封腔的两侧设有透明窗口，内部设有低温冷台、发射电极及靶材，所述的低温冷台用于放置石英晶振，通过磁控溅射的发射电极将靶材均匀沉积至石英晶振表面；
11.所述的椭偏仪设备包括起偏器和检偏器，起偏器和检偏器分别设置在低温密封腔上正对透明窗口的两侧；检测光经过起偏器后进入低温密封腔内，经过石英晶振表面的膜层后被检偏器接收，通过偏振光振幅、相位数据的前后变化，计算待测膜层的厚度；
12.所述的温度控制单元，设置在低温冷台下部，用于将低温冷台的冷表面温度控制在设定的范围内；
13.所述的压力及组分控制单元用于控制低温密封腔达到实验所需的真空度并提供实验所需的气氛。
14.进一步地，所述的低温密封腔包括真空箱以及设置在真空箱内的内腔；
15.所述的低温冷台设置在内腔的底部，包括冷表面以及设置在冷表面上用于固定石英晶振的夹持部件；所述的发射电极和靶材设置在内腔中靠近上部的位置。
16.所述的夹持部件采用高导热陶瓷制作，表面设有用于放置石英晶振的凹槽。
17.所述真空箱和内腔两侧均设有透明窗口，用于椭偏仪检测石英晶振表面沉积层的厚度。
18.所述的温度控制单元包括设置在冷表面下部的温控组件以及设置在温控组件下部的液氮池；液氮由进液管路进入液氮池，由出气管路排出。
19.所述的温控组件包括pid控制系统以及与pid控制系统连接的温度计和加热棒；所述的温度计贴设在冷表面上，用于采集温度信息发送给pid控制系统；所述的加热棒填充在冷表面的下部，用于在pid控制系统的调控下给冷表面加热。
20.所述的压力及组分控制单元包括第一真空泵、第二真空泵和高纯氮气瓶；所述的第一真空泵和第二真空泵分别通过带针阀的管路与真空箱和内腔连通；所述的高纯氮气瓶通过带二级减压阀的进气管路与内腔连通，进入内腔的高纯氮气由带截止阀的排气管路排出。
21.根据磁控溅射装置的使用工况要求，低温密封腔的内腔需抽真空且处于惰性气体环境中。结合真空泵和高纯氮气瓶控制内腔的真空度，充入高纯氮气在提供惰性气体环境的同时，也可以除去内腔中残留的水、二氧化碳等杂质，防止低温标定过程中在石英晶振表面结霜干扰石英晶振的频率采集。外部的真空箱需要抽真空，以减少内腔的漏热。
22.本发明还提供了一种低温下石英晶体微天平质量标定方法，包括：
23.预实验过程：取特定形状的工件，用电子天平称量其质量m1，将工件固定在低温密封腔内放置石英晶振的位置；使用压力及组分控制单元控制低温密封腔达到实验所需的真空度并提供实验所需的气氛，向工件表面沉积靶材；一定时间后停止沉积，用椭偏仪检测沉积金属层的厚度，并从腔体中取出工件后用电子天平称量其质量m2；通过测得的厚度与沉积面的面积得到金属层的体积v，进而求出密度ρ；
24.质量标定过程：压力及组分控制单元控制低温密封腔达到实验所需的真空度并提供实验所需的气氛，温度控制单元精确控制冷表面的温度；通过磁控溅射的发射电极，使靶材颗粒均匀沉积至石英晶振表面，椭偏仪检测沉积金属层的厚度根据预实验过程得到的金属层密度计算出沉积质量，同时采集石英晶振的频率信号；重复多次后，得到低温条件下石
英晶振的频率和其表面所沉积质量的关系曲线，完成质量标定。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.本发明结合了磁控溅射原理和偏振光测量膜厚的原理，通过检测石英晶振表面均匀沉积的靶材厚度直接推算出沉积物质量，使石英晶体微天平的质量标定能够全程在低温密封腔中进行，达到低温微质量标定的目的。
附图说明
27.图1为本发明一种用于低温下石英晶体微天平质量标定的装置整体结构示意图；
28.图2为本发明中低温密封腔的结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
30.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.如图1所示，一种用于低温下石英晶体微天平质量标定的装置，包括低温密封腔1、椭偏仪设备、温度控制单元、压力及组分控制单元。
32.低温密封腔1包括真空箱16以及设置在真空箱16内的内腔15。内腔15底部设有低温冷台，低温冷台包括冷表面以及设置在冷表面上用于固定石英晶振20的夹持部件21。夹持部件21设计参考twin-qcm结构，设有对照组和实验组两片晶振。为确保石英晶振20的温度与冷表面温度一致，夹持部件21使用高导热陶瓷制作，表面设有用于放置石英晶振20的凹槽。
33.内腔15中靠近上部的位置设有发射电极和靶材19，通过磁控溅射的发射电极将靶材19均匀沉积至石英晶振20表面。
34.内腔15的左右两侧表面分别设有第一透明窗22和第二透明窗23，真空箱16的左表面设有与第一透明窗22正对且平行的第三透明窗24，右表面设有与第二透明窗23正对且平行的第四透明窗25。透明窗主要用于椭偏仪检测石英晶振20表面沉积层的厚度。
35.椭偏仪设备包括起偏器12和检偏器13，起偏器12和检偏器13分别设置在低温密封腔11的两个侧壁上，起偏器12和检偏器13通过数据线与数据采集单元14连接。检测光经过起偏器12后进入低温密封腔内，经过石英晶振20表面的膜层反射后被检偏器13接收，通过光波在膜层中的偏振，推算待测膜层的厚度，计算使用的为光波的p、s分量，光波的偏振状态可以用振幅和相位两个参数描述。
36.为了使椭偏仪能够准确测量沉积层的厚度，起偏器12的中心、一侧透明窗口中心、实验组石英晶振中心应位于同一直线；同理，检偏器13中心、另一侧透明窗口中心、实验组
石英晶振中心也应位于同一直线。
37.温度控制单元包括设置在冷表面下部的温控组件18以及设置在温控组件18下部的液氮池17，通过控制冷表面的温度，完成不同温度下石英晶体微天平的质量标定。
38.自增压式液氮罐8用于给液氮池17提供液氮，液氮由带截止阀9的进液管路26进入液氮池17，由出气管路27排出。
39.温控组件18包括pid控制系统10以及与pid控制系统10连接的温度计和加热棒；温度计贴设在冷表面上，用于采集温度信息发送给pid控制系统10；加热棒填充在冷表面的下部，用于在pid控制系统10的调控下给冷表面加热。pid控制系统10与数据采集单元14连接。
40.压力及组分控制单元中，利用第一真空泵1和第二真空泵2，通过针阀3和针阀4分别对真空箱16和内腔15进行抽真空。利用高纯氮气瓶5通过一个二级减压阀6为内腔15提供惰性气体环境，进入内腔15的高纯氮气由截止阀7排出。
41.根据磁控溅射装置的使用工况要求，低温密封腔的内腔15需抽真空且处于惰性气体环境中。结合真空泵和高纯氮气瓶控制内腔15的真空度，充入高纯氮气在提供惰性气体环境的同时，也可以除去内腔中残留的水、二氧化碳等杂质，防止低温标定过程中在石英晶振表面结霜干扰石英晶振的频率采集。外部的真空箱16需要抽真空，以减少内腔的漏热。
42.在高纯氮的气氛下，由自增压式液氮罐8向低温密封腔11内冷表面下的液氮池17输送液氮，配合pid温度控制系统10，精确控制温度。通过磁控溅射的发射电极，使靶材19颗粒均匀沉积至石英晶振20表面，设置于低温密封腔11两侧的起偏器12和检偏器13通过腔体侧面窗口，检测沉积层厚度，通过计算出沉积质量，同时采集石英晶振的频率信号，进行质量标定。具体的，频率信号通过设置在低温密封腔11内的频率采集装置来采集，采集到石英晶振的频率信号发送给数据采集单元14。
43.本实施例的质量计算需要沉积层的密度数据，因磁控溅射能够做到均匀沉积，可先通过预实验得到沉积层密度，用于后续的质量标定。预实验包括以下步骤：
44.通过预实验确定磁控溅射设备沉积的金属层的密度，具体操作为，取特定形状的工件(如立方体、圆柱等)，用电子天平称量其质量m1。将工件固定在内腔15放置石英晶振20的位置。启动第一真空泵1和第二真空泵2，待压力稳定，通过高纯氮气瓶5向腔体15内通气。待腔体15达到所需的真空度后，向工件表面沉积靶材19。一定时间后停止沉积，用椭偏仪检测沉积金属层的厚度。停止通气，并关闭第一真空泵1、第二真空泵2，待低温密封腔11的压力稳定，从腔体15中取出工件，用电子天平称量其质量m2，则得到金属层的质量m＝m2-m1。同时金属层的体积v可以通过测得的厚度与沉积面的面积得到，进而可以求出密度ρ＝m/v。
45.得到沉积层密度后，进行质量标定：
46.在高纯氮的气氛下，向低温密封腔内冷表面下的液氮池输送液氮，配合温度控制单元，精确控制冷表面的温度；
47.通过磁控溅射的发射电极，使靶材颗粒均匀沉积至石英晶振表面，设置于低温密封腔两侧的起偏器和检偏器检测沉积层厚度，计算出沉积质量；同时采集石英晶振的频率信号；
48.重复多次后，得到低温条件下石英晶振的频率和其表面所沉积质量的关系曲线，完成质量标定。
49.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是
以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。