Experimental characterization of quartz crystal microbalance in uniform temperature environment

The study investigates the effect of uniform temperature on the frequency variation on quartz crystal microbalances in low pressure condition. In general, frequency variation of the crystal is registered when the microbalance experiences a temperature change. Expected variation depends on the cutting angle of the crystal and third order degree polynomial is typically expected. Quartz crystal microbalances (QCMs) analyzed in this study have embedded resistors (gold/chromium paths) to be used as sensors for monitoring electrode area temperature. As first step of the activity, the crystal resistance vs temperature behavior has been characterized in controlled temperature environment (from -20°C to 100°C). Sensitivity and initial resistance (R0) of the deposited resistors for ten different crystals have been measured to calibrate the QCMs embedded temperature sensors. Measured parameters have been used to evaluate the effects of uniform temperature on the frequency variation in low pressure condition, monitoring the crystals frequency variation with a frequency counter. Obtained results generally agree with theoretical curves available from literature, showing nonlinear dependence of the crystal frequency vs temperature

L’attività sperimentale si è focalizzata sull’analisi dell'effetto della temperatura sulla variazione di frequenza in microbilance a cristalli di quarzo in condizioni di bassa pressione. In generale, si ottiene una variazione di frequenza del cristallo quando la microbilancia varia la sua temperatura e a seconda dell'angolo di taglio del cristallo, la funzione ottenuta è un n polinomio di terzo ordine. In questo studio si sono analizzate microbilance a cristallo di quarzo con depositati sensori di temperatura nell’intorno dell’area sensibile dello strumento in modo da consentire il monitoraggio della temperatura dei cristalli. Si è quindi caratterizzata la resistenza dei sensori di temperatura dei cristalli in un ambiente a temperatura controllata (da -20°C a 100°C) consentendo la taratura della sensibilità e della resistenza iniziale (R0). Tale operazione è stata effettuata su dieci diversi cristalli al fine di verificare stabilità e ripetibilità dei sensori di temperatura. I parametri misurati sono stati utilizzati per valutare gli effetti della temperatura sulla variazione di frequenza in condizioni di bassa pressione, monitorando oltre alla temperatura anche la variazione di frequenza dei cristalli con un contatore di frequenza. I risultati sperimentali ottenuti concordano con la letteratura esistente, mostrando un andamento non lineare della variazione di frequenza con la temperatura.