Quartz crystal microbalance : temperature effects analysis

This study investigates the effects of temperature on the quartz crystal microbalance for thermogravimetric analyses in space. The studied microbalance differs from literature ones because of the device’s innovative built-in heater and temperature sensor, made with deposited film over the crystal. Temperature gradient is expected on the crystal due to the presence of the built-in heater, an issue that has not yet been deeply investigated. The crystal temperature was measured by means of infrared thermography, while a finite element approach served the purpose of investigating mechanical resistance and dynamic behavior. A non-uniform temperature distribution was detected when the heater circuit was fed, and thanks to the developed FE model, deformed shape and stress values were determined. A dynamic model of the microbalance has been developed and the thickness shear frequency at ambient temperature was correctly found at 10 MHz. Uniform temperature distribution has been applied to the crystal in order to evaluate the frequency shift. The model was tested at temperatures up to 90 °C, providing differences with the experimental values smaller than 60 Hz. Moreover, a temperature gradient (90 °C at the center, 23°C at the edge of the disk) was applied in the model. The resulting resonance was 1.7 kHz higher with respect to the uniform 90 °C temperature field case, highlighting the importance of the temperature gradients on the microbalance performance. The conclusion is that the microbalance’s innovative heater causes thermal gradients that, although not critical from the point of view of mechanical resistance, ultimately cause frequency shifts. Thus, an experimentally determined correction factor for frequency will be necessary to correct the measurements during heating and retrieve correct results from thermogravimetric analyses.

Lo studio riguarda gli effetti della temperatura su una microbilancia al quarzo per analisi termo-gravimetriche in applicazioni spaziali. La microbilancia oggetto di studio si differenzia da quelle comunemente discusse in letteratura per via dell’innovativo design di riscaldatore e sensore di temperatura, realizzati mediante film depositati direttamente sul cristallo. Per tale motivo, è atteso in fase di riscaldamento l’insorgere di un gradiente di temperatura, i cui effetti non sono stati ad oggi oggetto di ricerche approfondite. Nella fase sperimentale dello studio, la misura di temperatura è stata effettuata mediante termografia all’infrarosso, mentre la modellazione ad elementi finiti è stata utilizzata per esaminare la resistenza meccanica e il comportamento dinamico della microbilancia. Un campo di temperature non uniforme è stato individuato sul cristallo per effetto della localizzazione della potenza termica fornita dal riscaldatore. Successivamente la deformata e gli sforzi derivanti sono stati calcolati mediante analisi ad elementi finiti. Con lo stesso approccio è stato studiato il modo di vibrare di taglio. A temperatura, ambiente la frequenza propria è stata determinata correttamente a 10 MHz. Successivamente, un campo termico uniforme è stato applicato al cristallo al fine di ricavare la curva frequenza-temperatura. Lo stesso modello è stato testato a diverse temperature (fino a 90 °C) ed ha prodotto delle differenze con i valori sperimentali inferiori a 60 Hz. Successivamente, un gradiente di temperatura (90 °C al centro e 23 °C altrove) è stato applicato al modello. Da quest’ultima analisi è emersa una risonanza di 1.7 kHz più alta rispetto al caso con 90°C uniformemente distribuiti sul cristallo. Si è dunque giunti alla conclusione che il design innovativo del riscaldatore è causa di un gradiente termico sul cristallo che, pur non essendo critico da un punto di vista della resistenza meccanica, provoca importanti variazioni di frequenza. Pertanto, al fine di ottenere risultati corretti dalle analisi termo-gravimetriche, sarà necessario compensare tali variazioni.