„Lock-in programming, investigation of a quartz sensor” változatai közötti eltérés

A Fizipedia wikiből
(Új oldal, tartalma: „==A mérés célja== <wlatex> A mérés célja a Stanford Research Systems SRS830 típusú digitális lock-in erősítő használatának és programozásának megismer…”)
 
a (Measurement tasks)
 
(3 szerkesztő 48 közbeeső változata nincs mutatva)
1. sor: 1. sor:
==A mérés célja==
+
==Purpose of the measurement==
<wlatex>
+
The purpose of this measurement is to learn the usage and programming of the Stanford Research Systems SRS830 digital lock-in amplifier. For this purpose you're going to do a test measurement on an LC circuit, then you'll investigate and characterize a quartz sensor, similar to those that can be used in atomic force microscope (AFM) devices.
A mérés célja a Stanford Research Systems SRS830 típusú digitális lock-in erősítő használatának és programozásának megismerése, tesztmérés elvégzése egy párhuzamos LC körön, illetve egy atomerő-mikroszkópokban is használt kvarcszenzor vizsgálata.
+
</wlatex>
+
  
==Órákban használt kvarcoszcillátor nanofizikai alkalmazása==
+
==Nanophysical application of the quartz oscillators used in watches==
 
<wlatex>
 
<wlatex>
Az 1. ábrán szemléltetett kvarcoszcillátort kvarcórákban, elektronikai áramkörökben használják órajel előállítására, olcsón beszerezhető - körülbelül 20 Ft/db. Az oszcillátor egy hangvilla alakú kvarc (Tuning Fork vagy röviden TF-nek is szokták nevezni), a legfontosabb jellemzője a rezonancia-frekvenciájának az értéke, névlegesen 32,768kHz (=2<sup>15</sup> Hz).  
+
An oscillator used in quartz watches is shown on the left side of Figure 1. Similar devices are being used to generate the clock signal in electronic circuits, their most important parameter is the resonance frequency. The tuning fork (TF) shaped oscillator in Figure 1. has a nominal resonance frequency of 32 768 Hz (= 2<sup>15</sup> Hz).
A kvarc piezoelektromos viselkedésének köszönhetően a hangvilla rezgése elektromos feszültség segítségével gerjeszthető. Az oszcillátor természetesen több rezgési módussal is rendelkezik, azonban az elektródák úgy vannak kialakítva, hogy alapvetően azt a módust gerjesztik, melyben az ágak a hangvilla síkjában, tükörszimmetrikusan rezegnek. Ezen módus sem erővel, sem forgatónyomatékkal nem hat a rögzítési pontra, így gyengén csatolódik a külvilághoz. Ennek köszönhetően a hangvilla óriási jósági tényezővel rendelkezik.
+
Due to the piezoelectric properties of crystalline quartz, the oscillation of the tuning fork can be excited using a voltage signal. A body shaped like this has several vibration modes, but the electrodes are prepared such a way to primarily excite the mode where the prongs vibrate mirror-symmetrically in the plane of the tuning fork. In this vibration mode, there is no force or angular momentum acting on the foot piece of the tuning fork, hence it is only weakly coupled to its environment. Therefore it can keep its resonance even in wristwatches where it is exposed to rapidly changing acceleration. Upon applying an AC signal to the electrodes, the crystal deforms periodically, generating a mechanical vibration. When the frequency of the applied voltage signal equals to the resonance frequency of the crystal, the amplitude of the vibration can become extremely high. In order to detect the mechanical vibration, the current between the electrodes can be measured, which is proportional to the velocity of the tuning fork's prongs. This current has a maximum value at the resonance frequency illustrated by the resonance curve on the right side of Figure 1.
A kontaktusokra váltakozó feszültséget kapcsolva a kristály periodikusan deformálódik, rezgésbe jön. Amikor a rákapcsolt váltakozó feszültség frekvenciája megegyezik a kvarckristály anyaga és méretei által meghatározott rezonancia-frekvenciával, a rezgési amplitúdó sokszorosára nő. A rezgés detektálásához a kvarcoszcillátoron folyó áramot mérjük, ami a hangvilla ágainak sebességével arányos, a rezonancia-frekvenciánál maximuma van (1. ábra, jobb oldal). Ez az egyszerű kvarcszenzor atomerő-mikroszkóp érzékelőjeként is kiválóan használható.
+
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
15. sor: 12. sor:
 
| align="center"|[[Fájl:TF_res.png|center|400px]]
 
| align="center"|[[Fájl:TF_res.png|center|400px]]
 
|-
 
|-
| colspan="2" align="center"|1. ábra. ''Kvarcórákban használt hangvilla alakú kvarcoszcillátor (bal oldal) és annak rezonancia-görbéje (jobb oldal), azaz az áram abszolút értéke a konstans amplitudójú gerjesztő feszültség frekvenciájának függvényében. Forrás: Magyarkuti András diplomamunka, BME Fizika Tanszék, 2013.''
+
| colspan="2" align="center"|Figure 1. ''A quartz resonator used in watches (left) and its resonance curve (right). This curve is the amplitude of the current of the device in the function of the frequency of the constant amplitude excitation voltage. Source: András Magyarkuti MSc thesis (BME, Department of Physics, 2013, in Hungarian).''
 
|}
 
|}
  
Egy hagyományos atomerő-mikroszkópban (atomic force microscope, AFM) egy laprugó végére helyeznek el egy hegyes tűt, amit közel visznek a felülethez. A laprugó mozgását egy lézer segítségével detektálják. Dinamikus üzemmódban a laprugót rezonancia-frekvenciájához közel rezgetik. A tű és a minta közötti erőhatás miatt elhangolódik a rezonancia-frekvencia. Mérés közben a tűvel x-y irányban (a minta síkjával párhuzamosan) pásztáznak, miközben z irányban úgy mozgatják a tűt, hogy a szabad rezgéshez képest mindig ugyanannyival legyen elhangolódva a rezonancia-frekvenciája, azaz pásztázás közben folyamatosan ugyanakkora erő hasson a tű és a minta között (2. ábra). (Itt érdemes megjegyezni, hogy a rezonanciafrekvencia eltolódása nem az erő nagyságával, hanem a tű és minta közötti erőhatás ''rugóállandójával'', azaz az erő távolság szerinti deriváltjával arányos.) Így a tűvel nagyjából konstans, nanométeres nagyságrendű távolságban pásztáznak a minta fölött, és a z irányú mozgatás x-y függéséből leolvasható a minta topográfiája akár atomi felbontással.
+
In a conventional atomic force microscope (AFM), a cantilever with a sharp tip placed at one end is approached to the surface of a sample. The movement of the cantilever is usually detected optically, by focusing a laser beam onto the cantilever and measuring the position of the reflected beam. When utilizing the so-called "dynamic mode", the cantilever is excited near to its resonance frequency, while maintaining a small distance between the tip and the sample. When the tip gets close enough to the sample, the force acting between the atoms at the apex of the tip and at the surface of the sample changes the resonance frequency of the cantilever. While sweeping the tip over the sample in the ''x'' and ''y'' directions the ''z'' height of the cantilever is continuously adjusted in a way that the resonance frequency of the vibration, and hence the force and the distance between the tip and the sample is kept constant, as it is shown in the video on Figure 2. (Note that the change in the resonance frequency is not proportional to the force itself, but to the derivative of the force with respect to the distance, which corresponds to the spring constant of the system.) By recording the ''z'' height as a function of the ''x'' and ''y'' positions, the topography of the sample can be investigated even with atomic resolution.
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
24. sor: 21. sor:
 
| align="center"|[[Fájl:AFM_dyn.ogv|bélyegkép|közép|500px|thumbtime=0:01]]
 
| align="center"|[[Fájl:AFM_dyn.ogv|bélyegkép|közép|500px|thumbtime=0:01]]
 
|-
 
|-
| align="center"|2. ábra. ''Atomerő  mikroszkóp működése nem kontakt, dinamikus üzemmódban, forrás: Magyarkuti András diploma előadás, BME Fizika Tanszék, 2013.''
+
| align="center"|Figure 2. ''The principle of atomic force microscopy in non-contact dynamic mode. Source: András Magyarkuti MSc defense (BME, Department of Physics, 2013).''
 
|}
 
|}
  
Alacsonyhőmérsékleti AFM méréseknél a laprugó mozgásának optikai detektálása nagyon nehéz, így célszerűbb olyan szenzort alkalmazni, melynek mozgása csupán elektromosan detektálható. Erre kiválóan alkalmas az órákban használt kvarcoszcillátor: a hangvilla egyik ágára ragasztott tű hat kölcsön a felülettel, és az óriási jósági tényező miatt egészen kicsi erőhatás is jelentős rezonancia-frekvencia változáshoz vezet, így a tű és minta közötti erőhatás viszonylag könnyen detektálható.
+
During low-temperature AFM measurements, the optical detection of the cantilever's movement can be challenging. Therefore it is practical to use such a sensor, whose movement can be detected electronically. The simple and cheap quartz tuning fork shown in Figure 1. is suitable to be used in an AFM device by attaching a sharp tip on one of its prongs. Due to the high quality factor of its resonance, a small force acting on the tip results in a measurable change in the resonance frequency. This is demonstrated in Figure 3. On the left side there is scanning tunneling microscope (STM) image of a gold-coated nanostructure (the height of the tip was adjusted in a way that the tunneling current was constant), on the right side the same area was mapped with a tuning fork keeping the force (and the resonance frequency) constant between the sample and the tip. The main features of the two images are matching.
 
+
A 3. ábrán látható egy elektronsugaras litográfiával készült, majd arannyal bevont felületű nanoszerkezeten történő mérés alagútmikroszkóp üzemmódban - az alagútáramra szabályozva, majd ezt követően ugyanazon a helyen atomerő mikroszkóp üzemmódban - a kvarcoszcillátor frekvencia-eltolódására, azaz a minta és a tű között fellépő erőrhatásra szabályozva. Mindkét esetben ugyanazok a pár száz nanométer széles, párhuzamos csíkok láthatóak.  
+
 
+
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
39. sor: 33. sor:
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
|-
 
|-
| align="center"|3. ábra. ''Elektronsugaras litográfiával készült nanoszerkezeten történő mérés STM majd AFM üzemmódban, forrás: Magyarkuti András diplomamunka, BME Fizika Tanszék, 2013.''
+
| align="center"|Figure 3. ''The topography of a gold coated surface measured in scanning tunneling and atomic force microscopy mode. Source: András Magyarkuti MSc thesis (BME, Department of Physics, 2013, in Hungarian).''
 
|}
 
|}
  
Pásztázó szondás mikroszkópokról részletesebb információ a ''[[nanofizika tudásbázis]] [[nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái]]'' fejezetében található.
+
You can find further information about scanning probe microscopy in ''[[Nanofizika tudásbázis]], [[Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái]]'' (Hungarian).
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
==A kvarcoszcillátor leírása egy egyszerű modellel==
+
==A simple model for the quartz resonator==
 
<wlatex>
 
<wlatex>
A kvarcoszcillátor mozgását írjuk le az elképzelhető legegyszerűbb modellel, melyben egy $k$ effektív rugóállandójú rugóra akasztott $m$ effektív tömegű test mozog egy dimenzióban, z irányban. Természetesen a kvarc piezoelektromos tulajdonságait is figyelembe kell venni, amit a  
+
The simplest model for an elastic piezoelectric system like the quartz resonator with one degree of freedom is a mass $m$ which can move only in direction $z$, attached to a spring with an effective spring constant $k$. The piezoelectric coupling can be described by the
 
$$ \left(\begin{matrix}  z \\ Q \end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix} k^{-1} & s \\ s & C \end{matrix}\right)\cdot \left(\begin{matrix}  F \\ U \end{matrix}\right)$$
 
$$ \left(\begin{matrix}  z \\ Q \end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix} k^{-1} & s \\ s & C \end{matrix}\right)\cdot \left(\begin{matrix}  F \\ U \end{matrix}\right)$$
mátrix-egyenlettel tehetünk meg, ahol $z$ az elmozdulás, $Q$ az elektródákon megjelenő töltés, $F$ a kifejtett erő, $U$ az elektródák közötti feszültség, $s$ az elmozdulás egységnyi feszültség hatására terhelés nélkül ($F=0$), $k$ a rugóállandó zérus feszültségnél, $C$ pedig a kapacitás (egységnyi feszültségre eső töltésfelhalmozódás) $F=0$ mellett. Energiamegmaradási megfontolásból a fenti mátrix determinánsa $0$, azaz $s^2=C/k$. Ez alapján általánosan elmondható, hogy:
+
matrix equation, where $z$ denotes the displacement, $Q$ is the charge on the electrodes of the resonator, $F$ is the force, $U$ is the voltage between the electrodes, $s$ is the displacement induced by 1 V voltage when $F = 0$, $k$ is the effective spring constant when $U = 0$, and $C$ is the capacity of the system when $F = 0$. Since the conservation of the energy the determinant of the matrix in the equation is $0$, which means $s^2 = C/k$. Due to this coupling, the charge on the electrodes is proportional to the displacement of the system:
$$Q=\alpha \cdot z,$$  
+
$$Q = \alpha \cdot z$$  
ahol $\alpha=ks=C/s$.
+
where $\alpha = ks = C/s$.
  
Dinamikus működés leírásához a tehetetlenséget és a súrlódásból, közegellenállásból származó, sebességgel arányos csillapítást is figyelembe kell venni, így az oszcillátor elmozdulására a
+
To describe the dynamics of the system one must consider the damping due to the drag of the fluid around it. If it is proportional to the velocity of the electrodes, then the mechanical equation of motion is
$$m\ddot{z}=-kz-\gamma\dot{z}+\alpha U$$
+
$$m \ddot{z} = -kz - \gamma \dot{z} + \alpha U$$
differenciál-egyenlet írható fel, ahol $\gamma$ a csillapítási tényező.
+
where $\gamma$ is the damping ratio.
  
A $Q=\alpha \cdot z$ összefüggés alapján a szenzor árama az oszcillátor sebességével arányos:
+
From $Q = \alpha \cdot z$ the current of the sensor is proportional to the velocity of the oscillator: $I = \alpha \cdot \dot{z}$. If we substitute this to the mechanical differential equation of motion, we get an equation that describes a series RLC circuit driven by voltage $U$, and where the $L$, $R$ and $C$ electrical parameters correspond to the $m$, $k$ and $\gamma$ mechanical parameters via the piezoelectric constant $s$.
$$I=\alpha \cdot \dot{z}.$$
+
Ezt a fenti differenciálegyenletbe hellyettesítve egy feszültséggel gerjesztett soros elektromos rezgőkör (RLC kör) differenciálegyenletét kapjuk, ahol az $L$, $R$ és $C$ elektromos paraméterek a piezoelektromos együtthatón keresztül megfeleltethetőek a $m$, $k$ és $\gamma$ mechanikai paramétereknek.
+
  
Fontos azonban megjegyezni, hogy a kvarcosszcillátor elektródái között akkor is tapasztalnánk kapacitást, ha a kvarc nem lenne piezoelektromos, így az oszcillátor elektromos viselkedésének leírásához az RLC körrel párhuzamos $C_0$ kapacitást is figyelembe kell venni. Ezzel a kiegészítéssel, azaz a 4. ábrán látható helyettesítő képpel egészen pontosan leírható a kvarc-oszcillátor elektromos viselkedése.
+
Finally, we should not forget about the capacitance of the electrodes of the system, which would be there even when the material between them is not piezoelectric. It appears in the model as a $C_0$ capacity parallel to the RLC circuit as shown in Figure 4. This equivalent circuit describes the electric behaviour of quartz sensors in a very accurate way.
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
67. sor: 59. sor:
 
| [[Fájl:RLC_C0.jpg|közép|250px]]
 
| [[Fájl:RLC_C0.jpg|közép|250px]]
 
|-
 
|-
| align="center"|4. ábra. ''A kvarcoszcillátor elektromos viselkedése egy soros RLC körrel, illetve egy azzal párhuzamosan kötött $C_0$ kapacitással modellezhető.''
+
| align="center"|Figure 4. ''The electric equivalent circuit of quartz resonators.''
 
|}
 
|}
  
A fenti modell alapján számolva a kvarcoszcillátor komplex impedanciájának abszolút értéke a következő képlettel számítható ki:
+
In this model the formula for the absolute value of complex impedance of a quartz resonator is
 
+
$$|Z|=\frac{\sqrt{(\omega_r^2 - \omega^2)^2 + \omega_r^2 \omega^2/Q^2}}{C_0 \omega \sqrt{(\omega_a^2 - \omega^2)^2 + \omega_r^2 \omega^2/Q^2}}$$
$$|Z|=\frac{\sqrt{(A-\omega^2)^2+D^2 \omega^2}}{E \omega \sqrt{(B-\omega^2)^2+D^2\omega^2}},$$
+
where $$\omega_r = \frac{1}{\sqrt{L C}}, \quad Q = \frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}, \quad\text{and}\quad \omega_a = \sqrt{\frac{C + C_0}{L C C_0}}.$$
 
+
ahol az alábbi paramétereket vezettük be: $A=\frac{1}{L C}$, $B=\frac{C+C_0}{C_0 C L}$, $D=\frac{R}{L}$, $E=C_0$.
+
  
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
==Mérési feladatok==
+
==Measurement tasks==
 
<wlatex>
 
<wlatex>
'''1.''' Áramgenerátoros meghajtással vegyük fel a mellékelt párhuzamos LC kör impedanciáját a frekvencia függvényében, határozzuk meg a rezonancia-frekvenciát, a kapacitás, az induktivitás ill. az induktivitás soros ellenállásának az értékét. A mért görbét hasonlítsuk össze az elméleti várakozásokkal. A méréshez írjunk számítógépes programot, mely GPIB porton kommunikál a műszerrel. A program adott számú lépésben logaritmikus skálán változtassa a frekvenciát egy megadott kezdő és végfrekvencia között, és vegye fel a bemeneten mért jel $X$ és $Y$ és/vagy $R$ és $\Theta$ komponensét a frekvencia függvényében. Figyeljünk az időállandó helyes beállítására!
+
'''Demo:''' Measure the impedance of the given parallel LC circuit as a function of frequency using a current bias. Determine the value of its resonance frequency, <s>capacitance, inductance</s> and the series resistance of the coil. C<s>ompare the measured curve with the theoretical calculation.</s> For this:
 +
* <s>''Write a computer program that communicates with the lock-in amplifier via a serial or GPIB port. The program should sweep the frequency of the output voltage signal between two given values, and record the $R$ (amplitude) and $\Theta$ (phase shift) parameters of the measured signal at each step.''</s>
 +
* ''Take care about the correct setting of the time constant of the lock-in.''
 +
* ''Consider that the lock-in amplifiers output is a voltage bias, which means if the load impedance is considerably higher than $50\,\Omega$ then the output voltage is going to be independent from it. Design a current bias drive for the LC circuit, and choose its parameters in a way that the current of the LC-circuit doesn't change more than 1% during the frequency sweep.''
  
* ''A lock-in erősítő kimenete feszültséggenerátorként viselkedik, azaz ha a kimenetre $50\Omega$-nál lényegesen nagyobb impedanciájú terhelést teszünk, akkor a kimenet az impedanciától függetlenül konstans a.c. feszültséget ad ki. Hogyan készíthetünk áramgenerátoros meghajtást megvalósító áramkört? Úgy állítsuk be a paramétereket, hogy miközben az RC-kör impedanciája változik a frekvencia függvényében, a meghajtó áram kevesebb mint 1%-ot változzon!''
+
'''1.''' Measure the resonance curve of the given quartz oscillator (without opening the cap) using a voltage bias, and determine the value of its $R$, $L$, $C$ and $C_0$ parameters. For this:
 +
* ''Design a voltage bias drive for the quartz resonator, and use a series resistance to measure its current via the voltage input ''(Input A)'' of the lock-in amplifier.''
 +
* ''To set the drive frequency more precisely, use a function generator as a frequency source. Synchronize the the lock-in to the function generator and use the output of the lock-in as a voltage source to drive the oscillator.
 +
* ''Write a computer program that communicates with the lock-in amplifier and the function generator via a serial ports. The program should sweep the frequency of the function generator between two given values, and record and graph the $R$ (amplitude) and $\Theta$ (phase shift) parameters of the measured signal at each step. Use the ''[[Media:ketpaneles_meroprogram.zip| 2-panel template project]]'' as a starting point to save time.''
 +
* ''Take care, that it takes time for the oscillator to return to its steady-state after it was driven near to its resonance. Therefore after changing the drive frequency, you have to wait some time to get to the new steady-state of the system. Estimate the time constant of the vibration decay using the calculated quality factor of the system. How could you easily check experimentally, whether your measurement was slow enough? (Whether at each measurement point, the previous excitation has already decayed and it is negligible compared to the vibration at the current frequency.)''
 +
* ''Measure the impedance of the oscillator with high frequency resolution, near its resonance. Due to the parallel capacitance $C_0$ there is an antiresonance next to the resonance, where the impedance of the oscillator is minimal. Don't forget to measure this part also.''
  
'''2.''' Az 1. feladatban készült mérőprogramból kiindulva vegyük fel a mellékelt tokozott kvarcoszcillátor rezonanciagörbéjét feszültséggenerátoros meghajtást használva. Az áram méréséhez ne a lock-in áramerősítő bemenetét, hanem egy soros ellenállást használjunk. Ennél a mérésnél a pontosabb frekvenciabeállítás érdekében jelforrásként egy Siglent függvénygenerátort használjunk. A lock-in generátorát az Siglent függvénygenerátorhoz szinkronizáljuk, a kvarcoszcillátorra a lock-in kimenetéről adjuk ki a jelet. A mérési eredmények illesztéséből határozzuk meg az oszcillátor elektromos paramétereit, azaz $R$, $L$, $C$ és $C_0$ értékét!
+
'''2.''' Carefully apply force to the sealing of the cap, using pliers, to open and remove it. Measure the resonance curve of this "uncapped" oscillator.
 +
* ''Explain what happened to the quality factor of the resonator after it was uncapped.''
  
* ''Figyelem! A kvarcoszcillátor tönkremehet, ha a rezonanciafrekvencián túl nagy feszültséggel gerjesztjük. Ügyeljünk rá, hogy a beállított gerjesztés amplitúdója ne haladja meg a 0.1 V feszültséget!''
+
'''3.''' Leave a mark on one of the prongs with a permanent marker, and estimate the mass of the ink left on the tuning fork.
 +
* ''To achieve this one should measure the resonance frequency of an empty tuning fork, then the same after its prongs are marked. Take an image of the quartz resonator via the USB microscope before and after marking it.''
  
* ''Ügyeljünk arra, hogy a rezonancia környékén gerjesztett oszcillátor rezgése nagyon lassan cseng le, így a frekvencia változtatásakor sokat kell várni arra, hogy az új frekvenciához tartozó állandósult állapot kialakuljon! A mért jósági tényező alapján becsüljük meg, hogy mennyi idő alatt cseng le a rezonáns rezgés! Kisérletileg hogyan ellenőrizhetjük a legegyszerűbben, hogy elég lassan mérünk-e, azaz hogy minden mérési pontnál csak az adott frekvencián rezeg az oszcillátor, és a korábbi gerjesztés már lecsengett?''
+
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
+
|-
* ''A rezonancia környékén érdemes nagy frekvenciafelbontással, lineáris lépésközzel felvenni az impedancia frekvenciafüggését. Figyelem, a $C_0$ párhuzamos kapacitás miatt nem egy egyszerű rezonanciagörbét látunk, hanem egy adott frekvencián antirezonancia is jelentkezik, ahol az oszcillátor árama minimális. Ne feledkezzünk meg ennek a kiméréséről sem!''
+
| [[Fájl:Kvarchangvilla_abl.png|közép|300px|]]
 
+
|-
* ''A frekvenicafüggő impedanciát érdemes széles tartományban, logaritmikus skálán is felvenni. Melyik paramétert állapíthatjuk meg ebből a mérésből?''
+
| align="center"|Figure 5. ''Dimensions of the tuning fork: $a=0.6\,\mathrm{mm}, b=0.3\,\mathrm{mm}, l=3.5\,\mathrm{mm}$.''
 +
|}
  
'''3.''' Egy fogó segítségével ropogtassuk meg az oszcillátor tokozásának nyakát, és távolítsuk el a tokot. Mérjük meg a kibontott oszcillátor rezonanciagörbéjét! Digitális mikroszkóp alatt kenjük be az egyik ág végét vákuumzsírral, majd helyezzünk fel az oszcillátor végére rövid rézdrót-darabokat (lásd 5. ábra). Mérjük ki, hogy a felhelyezett tömeg függvényében hogyan változik meg az oszcillátor rezonanciafrekvenciája. Az eredmények alapján határozzuk meg az oszcillátor $m$ effektív tömegét, és $k$ effektív rugóállandóját!
+
* ''The bending of a rectangular object (one prong of the oscillator) can be calculated as the following: $x=\frac{4}{E}\cdot\frac{Fl^3}{a^3b}=\frac{F}{k_{\text{eff}}}$, where $E$ is the Young modulus, $F$ is the force and $a$, $b$, $l$ are the dimensions of the object. Besides that, at the resonance frequency: $\omega_r=\sqrt{\frac{k_{\text{eff}}}{m_{\text{eff}}}}=\frac{1.76a}{l^2}\sqrt{\frac{E}{\rho}}$, for the [[media:Tuning-fork_model.pdf|quartz oscillator]], where $E\approx10^{11}\,\mathrm{N}/\mathrm{m}^2$, and $\rho=2650\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^3$. Substitute $k_{\text{eff}}$ to the second equation, and calculate the ratio of the effective mass and the actual mass of the prongs (using that $abl\rho=m$ is the mass).''
 +
* ''Calculate the masses at the resonance frequencies of the two cases (empty fork and marked fork) and calculate the mass of the ink.''
  
* ''Miért romlik el a tok kibontásakor a jósági tényező?''
+
==Additional measurement tasks==
  
* ''Figyelem, a tömegek felhelyezésekor elromlik a hangvilla szimmetriája, és így a jósági tényező is lecsökken. Ennek megfelelően túl nagy tömeg mellett már nem tudunk jól értékelhető mérést végezni, így ügyeljünk arra, hogy vákuumzsírból a drótok felragasztásához szükséges minimális mennyiséget vigyük fel!''
+
'''4.''' Under the digital microscope, apply some sort of glue (e. g. vacuum grease) on one prong of the tuning fork then attach small pieces of copper wire to it as it is shown on Figure 5. Measure the resonance curve of the oscillator at as much different values of the attached mass as it is possible. Determine how does the resonance frequency of the oscillator change in the function of the attached mass, then calculate the effective mechanical parameters ($m$, $k$ and $\gamma$) of the (empty) tuning fork.
 +
* ''When you put mass to the resonator its quality factor decreases, and under a too large load one cannot measure proper resonances. Use as little amount of the glue as possible to attach the copper wire pieces.''
 +
* ''To estimate the length of the wire pieces one can compare them to the width of a prong which is $600\,\mu\mathrm{m}$.''
 +
* ''By the usage of the determined electrical and mechanical parameters, calculate how big is the $z$ displacement of the tuning fork ends when we apply $1\,\mathrm{V}$ DC voltage on it (you can use the simple model above). By this result estimate the amplitude of AC voltage driving the quartz tuning fork on its resonance at which the amplitude of its mechanical vibrations is less than the typical distance of neighbouring atoms.''
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
104. sor: 109. sor:
 
| [[Fájl:TF_calib.jpg|közép|800px|]]
 
| [[Fájl:TF_calib.jpg|közép|800px|]]
 
|-
 
|-
| align="center"|5. ábra
+
| align="center"|Figure 6. ''Setup to determine the tuning fork mechanical parameters.''
 
|}
 
|}
  
'''4.''' Az elektromos és mechanikai paraméterek ($R$,$L$, $C$, $C_0$, $k$, $m$) ismeretében, a fent ismertetett egyszerű modell alapján számoljuk ki, hogy 1V egyenfeszültség hatására mekkora az oszcillátor $z$ elmozdulása. Ezen eredmény alapján adjunk becslést arra, hogy egy kvarc hangvillából készített atomerő-mikroszkóp szenzort a rezonanciafrekvencián milyen amplitudójú a.c. feszültséggel kell gerjeszteni ahhoz, hogy a mechanikai rezgési amplitudó két szomszédos atom tipikus távolságánál kisebb legyen!
 
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
==Függelék: a méréshez használt eszközök==
+
==Tools used in this lab==
 
<wlatex>
 
<wlatex>
*SRS830 Lock-In + használati utasítás + tápkábel
+
*SRS830 Lock-In amplifier + [https://www.thinksrs.com/downloads/pdfs/manuals/SR830m.pdf user's manual]  + power cord
*Siglent SDG1025 függvénygenerátor + használati utasítás (elektronikusan) + tápkábel
+
*Siglent SDG1025 function generator + [https://www.siglent.eu/_downloads/51337681 user's manual] + [https://www.siglent.eu/_downloads/51337683 programming guide] + power cord
*GPIB <-> USB adapter + 1 GPIB kábel VAGY 1db soros port + kábel és 1db USB kábel a kommunikációhoz
+
*GPIB <-> USB adapter + GPIB cable OR serial port + USB cable
*LC kör fém dobozban
+
*LC circuit in a proper box
*Kvarc oszcillátorok
+
*quartz resonators
*Ellenállásdekád
+
*resistance table
*$0\Omega$-os lezáró
+
*$0\,\Omega$ BNC terminator
*6db. közepes BNC-BNC kábel
+
*6 medium length BNC cable
*BNC T-elosztó
+
*T branch for BNC cables
*Digitális mikroszkóp állvánnyal és csatlakozással a kvarc szenzorhoz
+
*digital USB microscope + stand + connection
*Fogó a kvarc szenzor tokjának kibontásához
+
*pliers for the opening of the cap of the tuning fork
*Kvarc oszcillátorra felhelyezendő rézdrót
+
*copper wire for the mechanical calibration
*Gillette-penge
+
*razor blade or retractable knife blade
*vákuumzsír a rézdrót ''felragasztásához''
+
*some sort of glue (e. g. vacuum grease)
*Csipesz vagy hosszabb drót a kis drótdarabok és a vákuumzsír felhelyezéséhez
+
*tweezers to operate with the small pieces of wire
 
+
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
== Függelék: SRS830 soros porton ==
+
==Supplementary information==
  
A soros porti csatlakozás teszteléséhez használhatjuk az [[NI_MAX#Soros_porti_csatlakoz.C3.A1s|NI MAX]]-ot. A mérésvezérlő programban használjuk a <tt>SerialPort</tt> objektumot: [[USB_hőmérő_példaprogram|példaprogram]]. A soros kommunikáció paramétereit az SR830-as lock-in erősítő esetén állítsuk az alábbiakra!
+
For testing the connection of the serial port one can use [[NI_MAX#Soros_porti_csatlakoz.C3.A1s|NI MAX (description in Hungarian)]]. In the measurement controller program use the <tt>SerialPort</tt> object ([[USB_hőmérő_példaprogram|example]]). In case of the SR830 lock-in amplifier set up the parameters with the following code:
 
<syntaxhighlight lang="csharp">
 
<syntaxhighlight lang="csharp">
 
serialPort1.PortName = "COM1";
 
serialPort1.PortName = "COM1";
143. sor: 146. sor:
 
serialPort1.Handshake = Handshake.None;
 
serialPort1.Handshake = Handshake.None;
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
 +
Note that, the baud rate can be changed on the amplifier, check it in its own menu. The <tt>serialPort1</tt> is the name of an object, use it consequently. Do not forget to set up the <tt>PortName</tt> property in the proper way (the default value in case of the serial port of the motherboard is <tt>COM1</tt>). Also, do not forget to open the port before the measurement, and close it afterwards.
  
Megjegyzés: a baud rate-et ellenőrizzük a lock-in erősítő előlapi menüjében, mert az megváltoztatható, és ha szükséges, a <tt>serialPort1</tt> nevet értelemszerűen írjuk át a mérésvezérlő programban létrehozott objektum nevére! Ne felejtsük el beállítani a <tt>PortName</tt> tulajdonságot az Eszközkezelőben vagy az NI MAX-ban kikeresett portnévre (az alaplapi soros port esetén ez alapértelmezetten <tt>COM1</tt>)!
+
*[[Függvény generátor | Sample code for the function generator via USB]] and [http://www.ni.com/download/ni-visa-17.0/6646/en/ NI VISA driver]
 
+
== Függelék: Függvénygenerátor USB-n ==
+
 
+
[[Függvény generátor | példaprogram]]
+
 
+
[http://www.ni.com/download/ni-visa-17.0/6646/en/ | NI VISA driver]
+
 
+
== Függelék: Függvénygenerátor GPIB-n ==
+
  
[[Függvény generátor GPIB | példaprogram]]
+
*[[Függvény generátor GPIB | Sample code for the function generator via GPIB]] and [http://www.ni.com/download/ni-488.2/7272/en/ GPIB driver]
  
[http://www.ni.com/download/ni-488.2/7272/en/ | GPIB driver]
+
Use the timer and tick events for programming the frequency sweep via the function generator and monitoring the amplitude and phase measured by the lock-in amplifier. Graph the amplitude and the phase as a function of the frequency, for that, use the [[Media:ketpaneles_meroprogram.zip| 2-panel template project]] as a starting point.

A lap jelenlegi, 2023. október 4., 10:57-kori változata

Tartalomjegyzék

Purpose of the measurement

The purpose of this measurement is to learn the usage and programming of the Stanford Research Systems SRS830 digital lock-in amplifier. For this purpose you're going to do a test measurement on an LC circuit, then you'll investigate and characterize a quartz sensor, similar to those that can be used in atomic force microscope (AFM) devices.

Nanophysical application of the quartz oscillators used in watches


An oscillator used in quartz watches is shown on the left side of Figure 1. Similar devices are being used to generate the clock signal in electronic circuits, their most important parameter is the resonance frequency. The tuning fork (TF) shaped oscillator in Figure 1. has a nominal resonance frequency of 32 768 Hz (= 215 Hz). Due to the piezoelectric properties of crystalline quartz, the oscillation of the tuning fork can be excited using a voltage signal. A body shaped like this has several vibration modes, but the electrodes are prepared such a way to primarily excite the mode where the prongs vibrate mirror-symmetrically in the plane of the tuning fork. In this vibration mode, there is no force or angular momentum acting on the foot piece of the tuning fork, hence it is only weakly coupled to its environment. Therefore it can keep its resonance even in wristwatches where it is exposed to rapidly changing acceleration. Upon applying an AC signal to the electrodes, the crystal deforms periodically, generating a mechanical vibration. When the frequency of the applied voltage signal equals to the resonance frequency of the crystal, the amplitude of the vibration can become extremely high. In order to detect the mechanical vibration, the current between the electrodes can be measured, which is proportional to the velocity of the tuning fork's prongs. This current has a maximum value at the resonance frequency illustrated by the resonance curve on the right side of Figure 1.

TF photo.jpg
TF res.png
Figure 1. A quartz resonator used in watches (left) and its resonance curve (right). This curve is the amplitude of the current of the device in the function of the frequency of the constant amplitude excitation voltage. Source: András Magyarkuti MSc thesis (BME, Department of Physics, 2013, in Hungarian).

In a conventional atomic force microscope (AFM), a cantilever with a sharp tip placed at one end is approached to the surface of a sample. The movement of the cantilever is usually detected optically, by focusing a laser beam onto the cantilever and measuring the position of the reflected beam. When utilizing the so-called "dynamic mode", the cantilever is excited near to its resonance frequency, while maintaining a small distance between the tip and the sample. When the tip gets close enough to the sample, the force acting between the atoms at the apex of the tip and at the surface of the sample changes the resonance frequency of the cantilever. While sweeping the tip over the sample in the x and y directions the z height of the cantilever is continuously adjusted in a way that the resonance frequency of the vibration, and hence the force and the distance between the tip and the sample is kept constant, as it is shown in the video on Figure 2. (Note that the change in the resonance frequency is not proportional to the force itself, but to the derivative of the force with respect to the distance, which corresponds to the spring constant of the system.) By recording the z height as a function of the x and y positions, the topography of the sample can be investigated even with atomic resolution.

AFM dyn.ogv
Figure 2. The principle of atomic force microscopy in non-contact dynamic mode. Source: András Magyarkuti MSc defense (BME, Department of Physics, 2013).

During low-temperature AFM measurements, the optical detection of the cantilever's movement can be challenging. Therefore it is practical to use such a sensor, whose movement can be detected electronically. The simple and cheap quartz tuning fork shown in Figure 1. is suitable to be used in an AFM device by attaching a sharp tip on one of its prongs. Due to the high quality factor of its resonance, a small force acting on the tip results in a measurable change in the resonance frequency. This is demonstrated in Figure 3. On the left side there is scanning tunneling microscope (STM) image of a gold-coated nanostructure (the height of the tip was adjusted in a way that the tunneling current was constant), on the right side the same area was mapped with a tuning fork keeping the force (and the resonance frequency) constant between the sample and the tip. The main features of the two images are matching.

STM stripes.png
png
Figure 3. The topography of a gold coated surface measured in scanning tunneling and atomic force microscopy mode. Source: András Magyarkuti MSc thesis (BME, Department of Physics, 2013, in Hungarian).

You can find further information about scanning probe microscopy in Nanofizika tudásbázis, Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái (Hungarian).

A simple model for the quartz resonator


The simplest model for an elastic piezoelectric system like the quartz resonator with one degree of freedom is a mass \setbox0\hbox{$m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% which can move only in direction \setbox0\hbox{$z$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, attached to a spring with an effective spring constant \setbox0\hbox{$k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. The piezoelectric coupling can be described by the

\[ \left(\begin{matrix}  z \\ Q \end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix} k^{-1} & s \\ s & C \end{matrix}\right)\cdot \left(\begin{matrix}  F \\ U \end{matrix}\right)\]

matrix equation, where \setbox0\hbox{$z$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% denotes the displacement, \setbox0\hbox{$Q$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the charge on the electrodes of the resonator, \setbox0\hbox{$F$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the force, \setbox0\hbox{$U$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the voltage between the electrodes, \setbox0\hbox{$s$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the displacement induced by 1 V voltage when \setbox0\hbox{$F = 0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the effective spring constant when \setbox0\hbox{$U = 0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, and \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the capacity of the system when \setbox0\hbox{$F = 0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Since the conservation of the energy the determinant of the matrix in the equation is \setbox0\hbox{$0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, which means \setbox0\hbox{$s^2 = C/k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Due to this coupling, the charge on the electrodes is proportional to the displacement of the system:

\[Q = \alpha \cdot z\]

where \setbox0\hbox{$\alpha = ks = C/s$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%.

To describe the dynamics of the system one must consider the damping due to the drag of the fluid around it. If it is proportional to the velocity of the electrodes, then the mechanical equation of motion is

\[m \ddot{z} = -kz - \gamma \dot{z} + \alpha U\]

where \setbox0\hbox{$\gamma$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the damping ratio.

From \setbox0\hbox{$Q = \alpha \cdot z$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% the current of the sensor is proportional to the velocity of the oscillator: \setbox0\hbox{$I = \alpha \cdot \dot{z}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. If we substitute this to the mechanical differential equation of motion, we get an equation that describes a series RLC circuit driven by voltage \setbox0\hbox{$U$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, and where the \setbox0\hbox{$L$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% and \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% electrical parameters correspond to the \setbox0\hbox{$m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% and \setbox0\hbox{$\gamma$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% mechanical parameters via the piezoelectric constant \setbox0\hbox{$s$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%.

Finally, we should not forget about the capacitance of the electrodes of the system, which would be there even when the material between them is not piezoelectric. It appears in the model as a \setbox0\hbox{$C_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% capacity parallel to the RLC circuit as shown in Figure 4. This equivalent circuit describes the electric behaviour of quartz sensors in a very accurate way.

RLC C0.jpg
Figure 4. The electric equivalent circuit of quartz resonators.

In this model the formula for the absolute value of complex impedance of a quartz resonator is

\[|Z|=\frac{\sqrt{(\omega_r^2 - \omega^2)^2 + \omega_r^2 \omega^2/Q^2}}{C_0 \omega \sqrt{(\omega_a^2 - \omega^2)^2 + \omega_r^2 \omega^2/Q^2}}\]
where
\[\omega_r = \frac{1}{\sqrt{L C}}, \quad Q = \frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}, \quad\text{and}\quad \omega_a = \sqrt{\frac{C + C_0}{L C C_0}}.\]


Measurement tasks


Demo: Measure the impedance of the given parallel LC circuit as a function of frequency using a current bias. Determine the value of its resonance frequency, capacitance, inductance and the series resistance of the coil. Compare the measured curve with the theoretical calculation. For this:

  • Write a computer program that communicates with the lock-in amplifier via a serial or GPIB port. The program should sweep the frequency of the output voltage signal between two given values, and record the \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% (amplitude) and \setbox0\hbox{$\Theta$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% (phase shift) parameters of the measured signal at each step.
  • Take care about the correct setting of the time constant of the lock-in.
  • Consider that the lock-in amplifiers output is a voltage bias, which means if the load impedance is considerably higher than \setbox0\hbox{$50\,\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% then the output voltage is going to be independent from it. Design a current bias drive for the LC circuit, and choose its parameters in a way that the current of the LC-circuit doesn't change more than 1% during the frequency sweep.

1. Measure the resonance curve of the given quartz oscillator (without opening the cap) using a voltage bias, and determine the value of its \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$L$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% and \setbox0\hbox{$C_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% parameters. For this:

  • Design a voltage bias drive for the quartz resonator, and use a series resistance to measure its current via the voltage input (Input A) of the lock-in amplifier.
  • To set the drive frequency more precisely, use a function generator as a frequency source. Synchronize the the lock-in to the function generator and use the output of the lock-in as a voltage source to drive the oscillator.
  • Write a computer program that communicates with the lock-in amplifier and the function generator via a serial ports. The program should sweep the frequency of the function generator between two given values, and record and graph the \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% (amplitude) and \setbox0\hbox{$\Theta$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% (phase shift) parameters of the measured signal at each step. Use the 2-panel template project as a starting point to save time.
  • Take care, that it takes time for the oscillator to return to its steady-state after it was driven near to its resonance. Therefore after changing the drive frequency, you have to wait some time to get to the new steady-state of the system. Estimate the time constant of the vibration decay using the calculated quality factor of the system. How could you easily check experimentally, whether your measurement was slow enough? (Whether at each measurement point, the previous excitation has already decayed and it is negligible compared to the vibration at the current frequency.)
  • Measure the impedance of the oscillator with high frequency resolution, near its resonance. Due to the parallel capacitance \setbox0\hbox{$C_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% there is an antiresonance next to the resonance, where the impedance of the oscillator is minimal. Don't forget to measure this part also.

2. Carefully apply force to the sealing of the cap, using pliers, to open and remove it. Measure the resonance curve of this "uncapped" oscillator.

  • Explain what happened to the quality factor of the resonator after it was uncapped.

3. Leave a mark on one of the prongs with a permanent marker, and estimate the mass of the ink left on the tuning fork.

  • To achieve this one should measure the resonance frequency of an empty tuning fork, then the same after its prongs are marked. Take an image of the quartz resonator via the USB microscope before and after marking it.
Kvarchangvilla abl.png
Figure 5. Dimensions of the tuning fork: \setbox0\hbox{$a=0.6\,\mathrm{mm}, b=0.3\,\mathrm{mm}, l=3.5\,\mathrm{mm}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%.
  • The bending of a rectangular object (one prong of the oscillator) can be calculated as the following: \setbox0\hbox{$x=\frac{4}{E}\cdot\frac{Fl^3}{a^3b}=\frac{F}{k_{\text{eff}}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, where \setbox0\hbox{$E$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the Young modulus, \setbox0\hbox{$F$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the force and \setbox0\hbox{$a$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$b$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$l$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% are the dimensions of the object. Besides that, at the resonance frequency: \setbox0\hbox{$\omega_r=\sqrt{\frac{k_{\text{eff}}}{m_{\text{eff}}}}=\frac{1.76a}{l^2}\sqrt{\frac{E}{\rho}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, for the quartz oscillator, where \setbox0\hbox{$E\approx10^{11}\,\mathrm{N}/\mathrm{m}^2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, and \setbox0\hbox{$\rho=2650\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^3$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Substitute \setbox0\hbox{$k_{\text{eff}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% to the second equation, and calculate the ratio of the effective mass and the actual mass of the prongs (using that \setbox0\hbox{$abl\rho=m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% is the mass).
  • Calculate the masses at the resonance frequencies of the two cases (empty fork and marked fork) and calculate the mass of the ink.

Additional measurement tasks

4. Under the digital microscope, apply some sort of glue (e. g. vacuum grease) on one prong of the tuning fork then attach small pieces of copper wire to it as it is shown on Figure 5. Measure the resonance curve of the oscillator at as much different values of the attached mass as it is possible. Determine how does the resonance frequency of the oscillator change in the function of the attached mass, then calculate the effective mechanical parameters (\setbox0\hbox{$m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% and \setbox0\hbox{$\gamma$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%) of the (empty) tuning fork.

  • When you put mass to the resonator its quality factor decreases, and under a too large load one cannot measure proper resonances. Use as little amount of the glue as possible to attach the copper wire pieces.
  • To estimate the length of the wire pieces one can compare them to the width of a prong which is \setbox0\hbox{$600\,\mu\mathrm{m}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%.
  • By the usage of the determined electrical and mechanical parameters, calculate how big is the \setbox0\hbox{$z$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% displacement of the tuning fork ends when we apply \setbox0\hbox{$1\,\mathrm{V}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% DC voltage on it (you can use the simple model above). By this result estimate the amplitude of AC voltage driving the quartz tuning fork on its resonance at which the amplitude of its mechanical vibrations is less than the typical distance of neighbouring atoms.
TF calib.jpg
Figure 6. Setup to determine the tuning fork mechanical parameters.


Tools used in this lab


  • SRS830 Lock-In amplifier + user's manual + power cord
  • Siglent SDG1025 function generator + user's manual + programming guide + power cord
  • GPIB <-> USB adapter + GPIB cable OR serial port + USB cable
  • LC circuit in a proper box
  • quartz resonators
  • resistance table
  • \setbox0\hbox{$0\,\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% BNC terminator
  • 6 medium length BNC cable
  • T branch for BNC cables
  • digital USB microscope + stand + connection
  • pliers for the opening of the cap of the tuning fork
  • copper wire for the mechanical calibration
  • razor blade or retractable knife blade
  • some sort of glue (e. g. vacuum grease)
  • tweezers to operate with the small pieces of wire

Supplementary information

For testing the connection of the serial port one can use NI MAX (description in Hungarian). In the measurement controller program use the SerialPort object (example). In case of the SR830 lock-in amplifier set up the parameters with the following code:

serialPort1.PortName = "COM1";
serialPort1.DataBits = 8;
serialPort1.StopBits = StopBits.One;
serialPort1.Parity = Parity.None;
serialPort1.BaudRate = 9600;
serialPort1.NewLine = "\r";
serialPort1.DtrEnable = true;
serialPort1.Handshake = Handshake.None;

Note that, the baud rate can be changed on the amplifier, check it in its own menu. The serialPort1 is the name of an object, use it consequently. Do not forget to set up the PortName property in the proper way (the default value in case of the serial port of the motherboard is COM1). Also, do not forget to open the port before the measurement, and close it afterwards.

Use the timer and tick events for programming the frequency sweep via the function generator and monitoring the amplitude and phase measured by the lock-in amplifier. Graph the amplitude and the phase as a function of the frequency, for that, use the 2-panel template project as a starting point.