aplicaciones analiticas de la microbalanza de cristal de cuarzo ...
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2.1 Una capa no piezoeléctricaPara comenzar el análisis de los casos, es conveniente tener en cuenta la situaciónen que hay en contacto con una cara del cristal, solamente una capa de material nopiezoeléctrico. Prescindiremos a partir de ahora del uso del subíndice i, dado que setrata de una sola capa.Si tomamos la impedancia eléctrica equivalente del cristal de cuarzo limpio comoZ eQ podemos definir la variación de la impedancia eléctrica equivalente Z f debida alagregado de una capa de material no piezoeléctrico como:Z f = Z eQ,M - Z eQ Ec. 2.1donde Z eQ,M representa la impedancia eléctrica equivalente del cristal de cuarzosobre el que se ha agregado el material.Granstaff y Martin han derivado una expresión general (ver apéndice 1) quedescribe Z f en función de los parámetros del cuarzo y de cuatro magnitudes quedependen del material adherido: el módulo elástico G' , el módulo de pérdidas G" ,la densidad ρ y el espesor d .[ ρ ( jωdρ )]Z2ωLQG Gf= Rf+ jωLf=. tanh / Ec. 2.2π µ ρQQLa notación Z f supone aditividad entre la impedancia equivalente debida al cristalde cuarzo y la impedancia equivalente total, ya que la hemos definido a partir de laecuación 2.1. Los criterios para que la aditividad sea aplicable se describen en lasección 2.2 y corresponde a la ecuación 2.17. Para poder continuar con el análisissimplificado en este capítulo adelantaremos que para el cristal de cuarzo en lascondiciones en que se mide normalmente los criterios de aditividad están ampliamentecumplidos.15
2.1.1 Capa rígida de espesor finito:El modelo más simple posible para tratar es el caso de que un materialperfectamente rígido (⏐G⏐ → ∞ ) esté adherido al resonador.En este caso tenemos que kd = jωd√ (ρ i /G)→ 0( G)lim tanh jωd ρ / = jωdρ / Gγd →0Z fLQLQm→ 2 ω⋅ j d = 2 ωωρ⋅ jω ∆π µ ρ π µ ρ AQQQQEc. 2.3Este resultado también se obtiene si con cualquier valor finito de G hacemos tenderel espesor d a cero , en este caso estamos en el caso de una capa muy delgada dematerial.Esta aproximación muestra una impedancia eléctrica que consta solo de parteimaginaria (inductiva), y que escala linealmente con la masa de material adherido. Elefecto de un cambio en la inductancia equivalente X Lf es una variación de lafrecuencia de resonancia del cristal.Para pequeños cambios de inductancia , se puede linealizar la variación defrecuencia, siendo ésta:∆fsfs≅ −2 2µ ρQQ∆mAEc. 2.4que no es otra que la ecuación de Sauerbrey.La aplicación mas directa de la ecuación de Sauerbrey es la que relaciona lafrecuencia de resonancia y la inductancia equivalente X Lf con la masa de los16
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2.1.1 Capa rígida <strong>de</strong> espesor finito:El mo<strong>de</strong>lo más simple posible para tratar es el caso <strong>de</strong> que un materialperfectamente rígido (⏐G⏐ → ∞ ) esté adherido al resonador.En este caso tenemos que kd = jωd√ (ρ i /G)→ 0( G)lim tanh jωd ρ / = jωdρ / Gγd →0Z fLQLQm→ 2 ω⋅ j d = 2 ωωρ⋅ jω ∆π µ ρ π µ ρ AQQQQEc. 2.3Este resultado también se obtiene si con cualquier valor finito <strong>de</strong> G hacemos ten<strong>de</strong>rel espesor d a cero , en este caso estamos en el caso <strong>de</strong> una capa muy <strong>de</strong>lgada <strong>de</strong>material.Esta aproximación muestra una impedancia eléctrica que consta solo <strong>de</strong> parteimaginaria (inductiva), y que esca<strong>la</strong> linealmente con <strong>la</strong> masa <strong>de</strong> material adherido. Elefecto <strong>de</strong> un cambio en <strong>la</strong> inductancia equivalente X Lf es una variación <strong>de</strong> <strong>la</strong>frecuencia <strong>de</strong> resonancia <strong>de</strong>l <strong>cristal</strong>.Para pequeños cambios <strong>de</strong> inductancia , se pue<strong>de</strong> linealizar <strong>la</strong> variación <strong>de</strong>frecuencia, siendo ésta:∆fsfs≅ −2 2µ ρQQ∆mAEc. 2.4que no es otra que <strong>la</strong> ecuación <strong>de</strong> Sauerbrey.La aplicación mas directa <strong>de</strong> <strong>la</strong> ecuación <strong>de</strong> Sauerbrey es <strong>la</strong> que re<strong>la</strong>ciona <strong>la</strong>frecuencia <strong>de</strong> resonancia y <strong>la</strong> inductancia equivalente X Lf con <strong>la</strong> masa <strong>de</strong> los16