Eine neue generation von miniatur quarzmikrowaagen (qcms) mit hoher massenempfindlichkeit für weltraumapplikationen.
Übersicht
Der Einsatz von Quarzmikrowaagen (quartz crystal microbalances – QCM‘s) für die Messung des Massenflusses, der sich auf den Oberflächen von Weltraumapplikationen niederschlägt, ist seit jeher beschränkt auf solche Kristalle mit einer Resonanzfrequenz von allenfalls 15 MHz – bedingt durch die Mikroabmessungen die mit solchen Kristallen einhergehen. Dies hat die Messung des unteren Massenflusses auf ungefähr 10-11 g/cm2-s, oder 0,20 ang/Hz beschränkt für dem Fall, wenn die Kondensatdichte beinahe eins ist. Bis vor kurzem war dies eine ausreichend genaue Molekularflussmessung, um den Bedürfnissen des Forschers Genüge zu tun. Jedoch hat der wachsende Bedarf für die präzise Messung, wie z. B. der Erosions/Ablagerungsrate von Ionenantrieben, der Erosionsrate von Niedrigorbit-Satelliten und der präzisen Messung von Ausgasungen über lange Zeitspannen hinweg zunehmend eine untere Massenflussmessung erforderlich gemacht, die eine höhere Massenempfindlichkeit besitzt. Mit einer Tendenz nach immer kleineren Satellitendimensionen steigt auch der Bedarf, die QCMs entsprechend zu verkleinern, damit diese in noch kleinere Einbauplätze passen.
Seit neuestem wurde eine Reihe von QCM‘s und TQCM‘s (thermo-elektrisch gekühlte QCM‘s) mit Kristallfrequenzen bis zu 25 MHz entwickelt. Diese sind nicht nur physisch viel kleiner als die früheren Modelle, sondern sie haben auch einen durch den Faktor 4,84 erweiterten Aktionsbereich. In Bezug auf ihre Massenempfindlichkeit gegenüber den theoretischen 15 MHz Wert von 5.102×108 Hz cm2/g bis ~2,47×109 Hz cm2/g ist die Grenze für die erkennbare Kondensatdicke, die gemessen werden kann, um ungefähr 0,04 ang/Hz herabsetzt. Die neuen TQCMs erhöhen ebenso das effektive Delta T, d.h. das Temperaturgefälle zwischen den heißen und kalten Seiten des Peltiers im TQCM von 86 C auf 120 C, was zur Folge hat, das die untere Temperatur der Kristalle zwischen -75° C und -100° C liegt, wenn das QCM bei Umgebungstemperatur betrieben wird. Die Tests, die unter simulierten Weltraumbedingungen mit diesen neuen Miniatur QCMs durchgeführt wurden sind das Thema dieses Dokuments.