Finite Element Analysis of Electrically Excited Quartz  Tuning Fork Devices

Oria, Roger; Otero, J. F. Fuentes; González, Laura López; Botaya, Luis; Carmona, M.; Puig-Vidal, M.

doi:10.3390/s130607156

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“…The mostly reported [42][43][44][45][46] electrical analogy of the QTF is the Butterworth-Van Dyke equivalent circuit, i.e. a RLC branch (impedance: Z RLC (f ) = R+jL2πf +1/(jC2πf ), with j 2 = −1) in parallel with a capacitance C L , both being electrically loaded by a common AC voltage supply V sup (cf.…”

Section: Electrical Equivalencementioning

confidence: 99%

Frequency shift, damping, and tunneling current coupling with quartz tuning forks in noncontact atomic force microscopy

2016

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A combined experimental and theoretical approach to the coupling between frequency-shift (∆f ), damping and tunneling current (It) in combined non-contact atomic force microscopy/scanning tunneling microscopy using quartz tuning forks (QTF)-based probes is reported. When brought into oscillating tunneling conditions, the tip located at the QTF prong's end radiates an electromagnetic field which couples to the QTF prong motion via its piezoelectric tensor and loads its electrodes by induction. Our approach explains how those It-related effects ultimately modify the ∆f and the damping measurements. This new paradigm to the origin of the coupling between It and the nc-AFM regular signals relies on both, the intrinsic piezoelectric nature of the quartz constituting the QTF and its electrodes design.

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Section: Electrical Equivalencementioning

confidence: 99%

Frequency shift, damping, and tunneling current coupling with quartz tuning forks in noncontact atomic force microscopy

2016

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“…The effective mass depends on the fork geometry and for a rectangular cross section prong is predicted to be approximately = 0.243 , where V = T·W·L is the volume, T the thickness, W the width and L the length of the prong and ρq is the quartz density. The effective spring constant k is proportional to the Young's modulus E [15]:…”

Section: Laser Lightmentioning

confidence: 99%

“…Electronic watches, smartphones, digital electronics, and synchronization for asynchronous communications are built around high-Q QTFs as frequency standards. Usually QTFs with a resonant frequency of 2 15 or ~32,768 Hz are used in this application. A QTF behaves as acoustic quadrupole in which case only the anti-symmetric mode is piezoelectric active (in which case the prongs move in opposite directions).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

New approaches in quartz-enhanced photoacoustic sensing

Sampaolo

Patimisco

Pennetta

et al. 2015

Quantum Sensing and Nanophotonic Devices XII

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“…D. van Vörden e colaboradores criaram modelos para o modo qPlus [30], também estudado por J. Falter e colaboradores [31]; enquanto R. Oria e L. González fizeram simulações com o QTF excitado elé-tricamente [32,33]. Os resultados refentes à constante elástica real do QTF são constraditórios.…”

Section: Diagrama De Blocos Do Sistema De Ganhos Pid O Sinal De Inteunclassified

“…S.-H. Song [39] foi o primeiro a evidenciar a necessidade de estar num regime linear para garantir uma boa relação sinal-ruído; enquanto R. Oria e colaboradores [32] e L. Gonzalez e colaboradores [33] usaram para garantir a validação dos modelos teóricos usados em Elementos Finitos. Na Estabelecida a linearidade da resposta do sensor, e sabendo k QTF , é possível estimar sua amplitude de vibração igualando-se a energia fornecida e perdida durante um ciclo [63].…”

Section: Linearidade E Estimativa Da Amplitude De Vibraçãounclassified

Cristais Osciladores De Quartzo Como Sensores Para Microscopia De Força Atômica

LEMOS¹

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AgradecimentosAo meu orientador, Rodrigo Prioli, mesmo com a distância sempre esteve disponível para resolver os problemas mais banais e as dúvidas mais triviais. Pelas discussões, pelo conhecimento e, não menos importante, pela paciência.À todos do grupo de Nanoscopia da PUC-Rio, o qual tive o prazer de fazer parte. À Paula, quem sempre me motivou durante o mestrado, e por toda a ajuda. À Elizandra, quem muito me ensinou e ajudou no começo. Ao Douglas, pelas discussões nos mais variados assuntos, acadêmicos ou não. Aos funcionários do Dep. de Física, em especial à Giza, por toda a ajuda nas questões burocráticas.Ao grupo do Laboratório de Optoeletrônica Molecular da PUC-Rio, em especial ao Harold, Rafael e Rian, pelas medidas na lupa.Ao Alexander, Jackes, Victor e ao Prof. Welles Morgado, pela Escola de Verão.Aos meus pais, por todo apoio, e ao meu irmão, pelas incontáveis caronas. Aos meus avós, por tudo. Ao meu padrinho Ernesto, pela ajuda financeira durante a graduação, e pelas discussões na mesa de jantar.À Pontifícia Universidade Católica, pela minha formação, a qual vai muito além do conhecimento acadêmico.À CAPES, ao CNPq e à FAPERJ pelo suporte financeiro, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado. A caracterização de cristais osciladores de quartzo (QTF) foi realizada nesta dissertação com o objetivo de implementá-los como sensores de um microscópio de força atômica (AFM). O QTF possui várias vantagens em relação aos cantilevers tradicionais de silício. Utilizado em modos dinâmicos de operação do AFM, o QTF possui maior fator de qualidade e rigidez, permitindo melhor sensibilidade em força e o uso de baixas amplitudes de oscilação para imageamento do que cantilevers tradicionais. Nesse trabalho, parâmetros mecânicos e elétricos do QTF foram medidos. Além disto, um estudo da influência da adição de massa nos braços do QTF foi realizado. Para a implementação do QTF no AFM, um sistema de feedback composto de um amplificador lock-in e um amplificador diferencial foi desenvolvido e testado. Adicionalmente, um novo cabeçote para o microscópio foi desenvolvido para adaptar o QTF ao microscópio. The characterization of quartz tuning forks (QTF) was performed in this dissertation, aiming to implement them as sensors at an atomic force microscope (AFM). The QTF has several advantages over traditional silicon cantilevers. Used in dynamic AFM modes, the QTF has higher quality factor and stiffness, allowing better force sensitivity and lower amplitudes of oscillation for imaging than traditional cantilevers. In this work, electrical and mechanical parameters of the QTF were obtained. Furthermore, a study of the influence of additional mass on the QTF prongs was performed. To implement the QTF at the AFM, a feedback system composed of a lock-in amplifier and a differential amplifier was developed and tested. Additionally, a new microscope head was designed to adapt the QTF to the microscope. Palavras-chave

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Finite Element Analysis of Electrically Excited Quartz Tuning Fork Devices

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Frequency shift, damping, and tunneling current coupling with quartz tuning forks in noncontact atomic force microscopy

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