High quality factor tuning-fork resonators with various resonance frequencies

Abstract

We demonstrate that the designed and fabricated tuning fork resonators have quality factors of about in the diverse frequency range from 50 Hz to 10 kHz in ambient condition. Metal and ceramic materials such as tantalum, steel, silicon nitride are used as resonator materials for high quality factors with minimal loss of mechanical energy. Resonators of various sizes with a tuning fork shape are realized by metal 3D printing method as well as metal machining process. We show that the increase in crystallinity of the 3D printed PLA tuning fork via annealing leads to an increase in quality factor, by which we confirm that the material to be used as a resonator should be with high crystallinity rather than an amorphous state. In addition, since the quality factor depends on the mass symmetry of both prongs for the case of a tuning fork type resonator, we improve the quality factor by matching the position and mass of the displacement-sensing accelerometer and the displacement-inducing actuator. The quality factor differences between predicted quality factor and measured one indicate that there are specific defects inside the material used as a resonator, which will be useful when the various-frequency tuning forks are employed as a highly sensitive force sensing resonator in the dynamic force microscopy and spectroscopy.

공명기는 자연과학과 공학의 다양한 분야에서 여러 목적으로 사용되어왔다. 특히 원자력 힘 현미경과 같은 주사 탐침 현미경 분야에서 공명기는 샘플의 표면을 측정하거나 샘플과 팁 사이의 힘을 측정하는데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 공명기를 힘을 측정하는 힘 센서로 사용하는 경우에 미세한 힘을 측정하기 위해서 높은 Q 인자를 갖는 것은 매우 중요하다. 특히 유변학과 같은 분야에서 물질의 점성, 탄성, 전단 박화 등은 측정하는 진동수의 영향을 크게 받는다. 하지만 기존에 존재하던 수정진동자나 나노/마이크로 공명기의 경우에는 그 크기로 인해 수십 kHz이상의 매우 높은 고유 주파수를 가지거나 상온 상압의 환경에서 Q 인자가 매우 감소하는 특징을 보였다. 우리는 이 문제를 해결하고자 본 연구에서 금속과 세라믹 물질을 사용하여 상온 상압에서 1000~10000 사이의 Q 인자를 가지면서 50Hz~10kHz 범위의 고유주파수를 갖는 소리굽쇠 형태의 공명기를 개발했다. 공명기를 제작하기 위해서 3d 프린팅 방법과 판금가공방식을 사용했으며, 측정은 가속도 측정 센서와 압전변환기를 사용한 역학적 측정 방식을 사용했다. 또한 열처리 이전과 열처리 이후의 PLA 튜닝포크Q 인자 결과와 단결정, 다결정 튜닝포크의 Q 인자 결과를 통해 물질의 결정성이 Q 인자에 큰 영향을 미침을 확인하였다. 본 연구를 통해, 우리는 공명기 제작 방식과 제작 물질에 대한 기준을 제시할 수 있었고, 또한 개발된 공명기들은 동적 힘 현미경 분야에서 높은 민감도와 다양한 공진주파수를 갖는 공명기로 유용하게 사용될 것으로 기대된다.