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DE19737880C1 - Complex elasticity or shear modulus evaluation method for thin polymer layers - Google Patents

Complex elasticity or shear modulus evaluation method for thin polymer layers

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DE19737880C1 DE1997137880 DE19737880A DE19737880C1 DE 19737880 C1 DE19737880 C1 DE 19737880C1 DE 1997137880 DE1997137880 DE 1997137880 DE 19737880 A DE19737880 A DE 19737880A DE 19737880 C1 DE19737880 C1 DE 19737880C1
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Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
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Abstract

The elasticity or shear modulus of a thin layer is evaluated by attaching a number of identical electromechanical resonators to the thin layer, caused to oscillate at the characteristic frequency, with measurement of the effective acoustic impedance of the thin layer via at least 2 resonance frequencies. The effective acoustic impedance of a double layer provided by the measured layer and a layer with a known acoustic impedance is used with the previous measurement for providing the characteristic acoustic impedance of the measured layer, used for calculating the elasticity and shear modulus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des komplexen Elastizitäts- oder Schermoduls einer dünnen Schicht mittels Oszillatoren. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung können diese Materialparameter bestimmt werden, ohne daß die Dicke der dünnen Schicht bekannt ist. Die Erfindung ist insbesondere für die Bestimmung des komplexen Schermoduls dünner Polymerschichten einsetzbar, jedoch in ihrer Anwendbarkeit nicht auf diesen Einsatzfall beschränkt. Insbesondere ist das Verfahren auch für solche Materialien einsetzbar, bei denen der Verlustanteil (Imaginärteil) des komplexen Elastizitäts- oder Schermoduls im Vergleich zum Realteil vergleichbare Werte annimmt.The invention relates to a method and a device for determining the complex Elasticity or shear modulus of a thin layer using oscillators. With the procedure and the associated device, these material parameters can be determined without the Thickness of the thin layer is known. The invention is particularly useful for determining the complex shear module of thin polymer layers can be used, but not in their applicability limited to this application. In particular, the method is also for such materials can be used where the loss share (imaginary part) of the complex elastic or Shear module assumes comparable values compared to the real part.

In der Beschreibung und den Ansprüchen soll unter der effektiven akustischen Impedanz Zeff einer dünnen Schicht eine nach der unten angegebenen Gleichung 1 berechnete Größe verstanden werden.In the description and the claims, the effective acoustic impedance Z eff of a thin layer is to be understood as a quantity calculated according to equation 1 given below.

Entsprechend soll unter der charakteristischen akustischen Impedanz Zchar einer dünnen Schicht eine nach der unten angegebenen Gleichung 2 berechnete Größe verstanden werden. Eine Schicht wird als fest haftend auf einem Objekt, das ebenfalls eine Schicht sein kann, verstanden, wenn die Schicht auf dem Objekt nicht gleitet.Accordingly, the characteristic acoustic impedance Z char of a thin layer should be understood to mean a quantity calculated according to equation 2 given below. A layer is understood to be firmly adhering to an object, which can also be a layer, if the layer does not slide on the object.

Zur Mikrowägung dünner starrer Schichten ist seit längerem ein Verfahren bekannt, bei dem ein Quarzkristall das frequenzbestimmende Bauteil einer Oszillatorschaltung ist und die Masse einer auf den Quarzkristall aufgebrachten dünnen Schicht aus der Änderung der Eigenfrequenz des Quarzkristalls während der Beschichtung ermittelt wird. Dieses Verfahren ist ausschließlich für dünne starre Schichten konzipiert, andernfalls können Materialeigenschaften der dünnen Schicht das Meßergebnis beeinflussen.A method for micro-weighing thin rigid layers has long been known, in which a Quartz crystal is the frequency-determining component of an oscillator circuit and the mass of one applied to the quartz crystal from the change in the natural frequency of the Quartz crystal is determined during the coating. This procedure is only for thin rigid layers designed, otherwise material properties of the thin layer influence the measurement result.

Es ist bekannt, daß dieser bei der Mikrowägung nachteilige Einfluß der Materialeigenschaften für die Bestimmung physikalischer Parameter von Substanzen nutzbar ist. Sie beruht auf der Tatsache, daß die akustische Wellenausbreitung in einem Medium neben geometrischen Größen wie der Schichtdicke auch von Materialparametern abhängig ist. Die theoretische Beschreibung der akustischen Wellenausbreitung in einer Mehrschichtanordnung mit einer piezoelektrischen Schicht und einer oder mehreren nicht-piezoelektrischen Schichten ist z. B. von Martin (J. Appl. Phys. 75 (1993) 1319-1329) dargestellt worden. Aus diesem Modell lassen sich sowohl die Voraussetzungen der Mikrowägung ableiten als auch der Einfluß von Materialparametern dünner Schichten auf das elektrische Signal eines piezoelektrischen Wandlers berechnen.It is known that this disadvantageous influence of the material properties for the micro-weighing the determination of physical parameters of substances can be used. It is based on the The fact that the acoustic wave propagation in a medium in addition to geometric sizes how the layer thickness also depends on material parameters. The theoretical description the acoustic wave propagation in a multilayer arrangement with a piezoelectric Layer and one or more non-piezoelectric layers is e.g. B. by Martin (J. Appl. Phys. 75 (1993) 1319-1329). Both the  Derive the preconditions for micro-weighing as well as the influence of material parameters thinner Calculate layers on the electrical signal of a piezoelectric transducer.

Im US 4.312.228 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion mit akustischen Oberflächenwellen vorgestellt, mit dem physikalische Parameter von Substanzen, wie Fluide und Polymere, oder deren Änderung, z. B. durch Temperaturänderung, Lösungsmittelabgabe oder -aufnahme, oder abgeleitete Größen, wie Glasübergang, Kristallisation oder Vernetzung, ermittelt werden können. Das Verfahren beruht darauf, daß die physikalischen Parameter einer Substanz, die in Kontakt mit einem Oberflächenwellenelement steht, die Ausbreitungsbedingungen der akustischen Oberflächenwelle ändert, was sich in Amplitudenänderung oder Phasenverschiebung der akustischen Welle äußert, die durch das Oberfächenwellenelement generiert und detektiert wird. Nachteilig ist die Mehrdeutigkeit des Verfahrens, da eine Vielzahl verschiedener physikalischer Parameter zu ähnlichen Veränderungen der akustischen Oberflächenwelle führen können. Im Falle der Ermittlung des Schermoduls einer dünnen Schicht müssen deshalb alle anderen Parameter bekannt sein und konstant gehalten werden.US 4,312,228 describes a method and a device for detection with acoustic Surface waves are presented, with the physical parameters of substances such as fluids and Polymers, or their change, e.g. B. by temperature change, solvent release or absorption, or derived quantities, such as glass transition, crystallization or crosslinking, are determined can be. The method is based on the fact that the physical parameters of a substance, which is in contact with a surface acoustic wave element, the propagation conditions of the surface acoustic wave changes what changes in amplitude or phase shift the acoustic wave that is generated and detected by the surface wave element becomes. The ambiguity of the method is disadvantageous, since a large number of different ones physical parameters lead to similar changes in the surface acoustic wave can. In the case of determining the shear modulus of a thin layer, all must therefore other parameters are known and kept constant.

Im SU 1078315 A wird der Elastizitätsmodul einzelner Schichten einer Mehrschichtanordnung durch Erregung einer Torsionsoszillation und sukzessives Entfernen der untersuchten Schichten bei der Messung der Eigenfrequenz bestimmt. Bei diesem Verfahren müssen Masse und Dimension der Probe vor jeder Messung bestimmt werden. Es ist für vergleichsweise dicke Schichten geeignet.In SU 1078315 A, the elastic modulus of individual layers in a multi-layer arrangement by exciting a torsional oscillation and gradually removing the examined layers determined when measuring the natural frequency. With this method, mass and Dimension of the sample to be determined before each measurement. It is comparatively thick Layers.

Eine spezielle Form der Nutzung der Abhängigkeit der Ausbreitungsbedingungen akustischer Wellen von physikalischen Parametern von Substanzen ist die Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeitsproben oder abgeleiteter Größen, wie die Konzentration einer Komponente in einem Flüssigkeitsgemisch (z. B. US 4.741.200, DE 29 08 469 A1)A special form of use of the dependence of the propagation conditions acoustic Waves of physical parameters of substances is the determination of the viscosity of Liquid samples or derived quantities, such as the concentration of a component in one Liquid mixture (e.g. US 4,741,200, DE 29 08 469 A1)

So wird in US 4.741.200 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten mit piezoelektrischen Scherschwingern vorgeschlagen. Auf Grund der äußerst geringen Eindringtiefe einer Scherwelle in eine Flüssigkeit wird bei diesem Verfahren die dünne, an den Scherschwinger angrenzende Flüssigkeitsschicht untersucht, mithin ist auch die akustisch wirksame Dicke der Fremdschicht definiert. Die charakteristischen Eigenschaften des Scherschwingers hängen von der Dichte und der Viskosität der angrenzenden Flüssigkeit ab. Das Verfahren bleibt auf die Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten beschränkt. Diesen prinzipiellen Nachteil besitzt auch die Vorrichtung gemäß DE 44 24 422, die zur Bestimmung der Konzentration einer Mischung aus zumindest zwei Flüssigkeiten dient, obwohl mit dieser Vorrichtung die Reproduzierbarkeit der Messungen wesentlich erhöht wird. Die Vorrichtung besteht aus einem Meßquarz, der von der Flüssigkeitsmischung benetzbar ist und zu Dickenscherschwingungen angeregt wird und dessen Resonanzfrequenz sich in Abhängigkeit der Konzentration ändert, und einem Referenzquarz, der sich in einer Referenzflüssigkeit befindet. Die Vorrichtung nutzt die Eigenschaft des mechanischen Dickenscherresonators, seine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Dichte und der Viskosität der angrenzenden Flüssigkeit zu ändern.US 4,741,200 describes a method and a device for determining the viscosity of Liquids with piezoelectric shear transducers are proposed. Because of the extreme shallow depth of penetration of a shear wave into a liquid, the thin, The liquid layer adjacent to the shear oscillator has been examined, which means that it is also acoustic effective thickness of the foreign layer is defined. The characteristic properties of the Scherschwingers depend on the density and viscosity of the adjacent liquid. The The method remains limited to determining the viscosity of liquids. This basic disadvantage also has the device according to DE 44 24 422, which for Determining the concentration of a mixture of at least two liquids is used, though  with this device the reproducibility of the measurements is significantly increased. The The device consists of a measuring quartz which can be wetted and sealed by the liquid mixture Thick shear vibrations is excited and its resonance frequency changes depending on the Concentration changes, and a reference quartz, which is in a reference liquid. The device uses the property of the mechanical thickness shear resonator, its Resonance frequency depending on the density and viscosity of the adjacent Change fluid.

Neben der US 4.312.228 wird z. B. in den Veröffentlichungen von Martin (Martin S J et al., 1991 Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, S. 393-398) und Lucklum (Lucklum, R, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 346-356) gezeigt, daß auch die Materialparameter von festen dünnen Schichten mit Hilfe von Dickenscherschwingern bestimmt werden können. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten können feste Stoffe komplexe Elastizitäts- und Schermodule besitzen, die sich in einen Speicheranteil (Realteil) und einen Verlustanteil (Imaginärteil) aufspalten lassen. Des weiteren wird die akustisch wirksame Dicke der dünnen festen Schicht im allgemeinen nicht durch die Eindringtiefe der akustischen Scherwelle bestimmt, sondern durch die geometrische Dicke der dünnen Schicht. Damit werden die Schwingeigenschaften des Dickenscherschwingers durch die Materialeigenschaften und die Dicke der dünnen Schicht bestimmt. Bei im allgemeinen nur unzureichend genau bekannter Dicke wird das Verfahren mehrdeutig. Der Einfluß dieser Größen einer einzelnen dünnen Schicht wird allgemein in der sogenannten effektiven akustischen Impedanz oder Oberflächenimpedanz Zeff der dünnen Schicht nach Gleichung 1 zusammengefaßt:
In addition to US 4,312,228, e.g. B. in the publications by Martin (Martin SJ et al., 1991 Ultrasonics Symp. Proc., New York: IEEE, pp. 393-398) and Lucklum (Lucklum, R, et al., J. Phys. D: Appl Phys. 30 (1997) 346-356) showed that the material parameters of solid thin layers can also be determined with the aid of thickness shear transducers. In contrast to liquids, solid substances can have complex elasticity and shear modules, which can be split into a storage part (real part) and a loss part (imaginary part). Furthermore, the acoustically effective thickness of the thin solid layer is generally not determined by the depth of penetration of the acoustic shear wave, but by the geometric thickness of the thin layer. The swing properties of the thickness shear transducer are thus determined by the material properties and the thickness of the thin layer. If the thickness is generally insufficiently known, the method becomes ambiguous. The influence of these quantities of a single thin layer is generally summarized in the so-called effective acoustic impedance or surface impedance Z eff of the thin layer according to equation 1:

ρs ist die Dichte der dünnen Schicht, GS = G'S + jG''S ist der komplexe Schermodul der dünnen Schicht mit dem Speichermodul GS' und dem Verlustmodul GS" und dS seine Dicke, ω ist die Kreisfrequenz des Dickenscherschwingers.ρ s is the density of the thin layer, G S = G ' S + jG'' S is the complex shear module of the thin layer with the storage module G S ' and the loss module G S "and d S its thickness, ω is the angular frequency of the Dickenscherschwingers.

Zchar ist die charakteristische Impedanz einer Substanz und wird durch Gleichung 2 definiert:
Z char is the characteristic impedance of a substance and is defined by Equation 2:

Wegen des transzendenten Charakters von Zeff läßt sich der komplexe Schermodul nicht isolieren. Deshalb muß die Bestimmung des komplexen Schermoduls durch Anpassung theoretisch berechneter Werte für Zeff an die experimentellen Daten erfolgen. Diese Berechnung ist aufwendig und ergibt z. T. erhebliche Abweichungen zu Referenzwerten. Diese Nachteile beeinträchtigen die Anwendbarkeit des Verfahrens.Because of the transcendent nature of Z eff , the complex shear module cannot be isolated. Therefore, the complex shear modulus must be determined by adapting theoretically calculated values for Z eff to the experimental data. This calculation is complex and gives z. T. considerable deviations from reference values. These disadvantages affect the applicability of the method.

Die vorstehend am Beispiel einer Scherwelle getroffenen Aussagen sind auch auf Longitudinalwellen in dünnen Schichten und damit auf die Bestimmung des komplexen Elastizitätsmoduls übertragbar.The statements made above using the example of a shear wave are also up Longitudinal waves in thin layers and thus on the determination of the complex Modulus of elasticity transferable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Realteils und des Imaginärteils des komplexen Elastizitäts- oder Schermoduls dünner Schichten zu schaffen, durch das diese Materialparameter mit hinreichender Genauigkeit ohne Bestimmung der Dicke der dünnen Schicht und ohne Parameteranpassungen ermittelt werden können.The invention is therefore based on the object of a method and an apparatus for Determination of the real part and the imaginary part of the complex elastic or shear modulus to create thin layers by which these material parameters with sufficient accuracy determined without determining the thickness of the thin layer and without parameter adjustments can be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1 and claim 7 solved.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den Resonanzfrequenzen der Oszillatoren, die sich bei den mit verschiedener Phasenlage schwingenden elektromechanischen Resonatoren einstellen, sowohl die effektive akustische Impedanz der dünnen Schicht Zeff1 als auch die effektive akustische Impedanz einer Doppelschicht Zeff12, bestehend aus der dünnen Schicht und einer zweiten Schicht mit bekannter effektiver akustischer Impedanz Zeff2, bestimmt wird, kann eine Bestimmungsgleichung für die charakteristische akustischen Impedanz Zchar der dünnen Schicht aufgestellt werden, die von der Dicke der dünnen Schicht (Gleichung 3) unabhängig ist:
Characterized in that in the method according to the invention from the resonance frequencies of the oscillators, which occur in the electromechanical resonators vibrating with different phase positions, both the effective acoustic impedance of the thin layer Z eff1 and the effective acoustic impedance of a double layer Z eff12 , consisting of the thin one Layer and a second layer with known effective acoustic impedance Z eff2 , a determination equation can be established for the characteristic acoustic impedance Z char of the thin layer, which is independent of the thickness of the thin layer (Equation 3):

In Gleichung 3 bedeuten:
f1,1 Resonanzfrequenz des Oszillators 1 für den mit einer dünnen Schicht beschichteten Resonator,
f2,1 Resonanzfrequenz des Oszillators 2 für den mit einer dünnen Schicht beschichteten Resonator,
f1,12 Resonanzfrequenz des Oszillators 1 für den mit einer Doppelschicht beschichteten Resonator,
f2,12 Resonanzfrequenz des Oszillators 2 für den mit einer Doppelschicht beschichteten Resonator.
In equation 3 mean:
f1.1 resonance frequency of the oscillator 1 for the resonator coated with a thin layer,
f2.1 resonance frequency of the oscillator 2 for the resonator coated with a thin layer,
f1.12 resonance frequency of the oscillator 1 for the resonator coated with a double layer,
f2,12 resonance frequency of the oscillator 2 for the resonator coated with a double layer.

Gleichzeitig wird die transzendente Bestimmungsgleichung für die effektive akustische Impedanz (Gleichung 1) zur Ableitung des komplexen Schermoduls umgangen. Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich somit drei Vorteile:At the same time, the transcendent equation for the effective acoustic impedance (Equation 1) to derive the complex shear modulus. From the The method according to the invention thus has three advantages:

  • 1. Die Notwendigkeit der Kenntnis der Dicke der dünnen Schicht bzw. die Mehrdeutigkeit des von Lucklum (Lucklum, R, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 346-356) beschriebenen Verfahrens bei unbekannter Dicke der dünnen Schicht wird beseitigt, der komplexe Schermodul der dünnen Schicht läßt sich eindeutig aus der charakteristischen Impedanz der dünnen Schicht nach einem allgemein bekannten Zusammenhang (Gleichung 2) ermitteln.1. The need to know the thickness of the thin layer or the ambiguity of the by Lucklum (Lucklum, R, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) 346-356) The process with unknown thickness of the thin layer is eliminated, the complex one The shear modulus of the thin layer can be clearly determined from the characteristic impedance of the determine thin layer according to a generally known relationship (equation 2).
  • 2. Die Bestimmungsgleichungen für den Real- und Imaginärteil des komplexen Elastizitätsmoduls sind algebraische Funktionen, damit entfällt die Notwendigkeit der beschriebenen Anpassung theoretisch berechneter Werte an Meßwerte.2. The equations for the real and imaginary part of the complex elastic modulus are algebraic functions, so there is no need for the described adjustment theoretically calculated values on measured values.
  • 3. Für die Bestimmung des Elastizitäts- oder Schermoduls der dünnen Schicht ist nur die Messung der Frequenzen f1,1 und f2,1 der elektrischen Oszillatoren notwendig, die die mit der dünnen Schicht beschichteten Resonatoren in Schwingung versetzen, und die Messung der Frequenzen f1,12 und f2,12, die die mit der Doppelschicht beschichteten Resonatoren in Schwingung versetzen. Die sonst notwendige, aufwendige Messung der elektrischen Impedanz des elektromechanischen Resonators entfällt.3. To determine the modulus of elasticity or shear of the thin layer, only the frequencies f 1.1 and f 2.1 of the electrical oscillators, which set the resonators coated with the thin layer in vibration, and the measurement of the frequencies are necessary f 1.12 and f 2.12 , which set the resonators coated with the double layer in vibration. The otherwise necessary, complex measurement of the electrical impedance of the electromechanical resonator is eliminated.

Als elektromechanische Resonatoren werden vorzugsweise zu Dickenscherschwingungen angeregte piezoelektrische Quarzscheiben verwendet, die das frequenzbestimmende Glied der Quarzoszillatoren sind und eine hinreichende Frequenzstabilität garantieren. Die Frequenz­ messung kann z. B. durch einfaches Auszählen der in einem definierten Zeitintervall ausgeführten Schwingungen und digitaler Weiterverarbeitung erfolgen.As electromechanical resonators, thickness shear vibrations are preferred excited piezoelectric quartz disks are used, which is the frequency determining element of the Quartz oscillators are and guarantee sufficient frequency stability. The frequency measurement can e.g. B. by simply counting those executed in a defined time interval Vibrations and digital processing take place.

In diesem Fall wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Real- und Imaginärteil des komplexen Schermoduls der dünnen Schicht bestimmt.In this case, the real and imaginary part of the complex shear modulus of the thin layer.

Die Bestimmung der Frequenzen f1,1, f2,1, f1,12, f2,12 erfolgt entweder nacheinander oder vorteilhaft gleichzeitig, indem mindestens zwei Resonatoren identisch nur mit der dünnen Schicht beschichtet werden und derart von Oszillatoren zu Schwingungen angeregt werden, daß diese bei genügend verschiedener Phasenlage schwingen, und mindestens zwei weitere Resonatoren, die identisch zu den ersten beiden mit der dünnen Schicht und zusätzlich mit einer zweiten Schicht mit bekannter effektiver akustischer Impedanz beschichtet wurden und ebenso derart von Oszillatoren zu Schwingungen bei genügend verschiedener Phasenlage angeregt werden. Der Aufbau kann optimal mit einem 4-Element-Array auf einem Substrat realisiert werden. Aus den Resonanzfrequenzen der Oszillatoren kann aus allgemein bekannten Gleichungen der Vierpoltheorie und geeigneter Modelle (hier: eines piezoelektrischen Elements) die effektive akustische Impedanz berechnet werden, aus der, wie oben beschrieben, die komplexen Scherparameter abgeleitet werden können. Die Quarzparameter und die Phasenlage, bei der die Oszillatoren schwingen, müssen bekannt sein.The frequencies f 1.1 , f 2.1 , f 1.12 , f 2.12 are determined either in succession or advantageously simultaneously, in that at least two resonators are coated identically only with the thin layer and are thus excited to oscillate by oscillators that these oscillate at a sufficiently different phase position, and at least two further resonators, which were coated identically to the first two with the thin layer and additionally with a second layer with known effective acoustic impedance, and likewise excited by oscillators to oscillate in a sufficiently different phase position will. The structure can be optimally realized with a 4-element array on a substrate. The resonant frequencies of the oscillators can be used to calculate the effective acoustic impedance from generally known equations of four-pole theory and suitable models (here: a piezoelectric element), from which, as described above, the complex shear parameters can be derived. The quartz parameters and the phase position at which the oscillators oscillate must be known.

Die Erfindung soll einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, das die Bestimmung des komplexen Schermoduls einer dünnen Polymerschicht betrifft.The invention, including its mode of operation, is described below using an exemplary embodiment be explained in more detail that the determination of the complex shear modulus of a thin Polymer layer concerns.

Als mechanische Resonatoren wurden vier bei etwa 5 MHz in Eigenresonanz schwingender Quarzkristalle von ca. 2,5 cm Durchmesser verwendet. Die dünne ca. 1 µm dicke Polymerschicht wurde identisch auf die Resonatoren aufgebracht, indem im Schleuderguß eine Beschichtung mit einer Lösung des Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel erfolgte und nachfolgend das Lösungsmittel verdampft wurde. In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde die Dicke der so erhaltenen Polymerschicht nicht gemessen.As mechanical resonators, four oscillated at about 5 MHz in natural resonance Quartz crystals of approx. 2.5 cm in diameter are used. The thin approx. 1 µm thick polymer layer was applied identically to the resonators by using a spin coating a solution of the polymer in a suitable solvent and subsequently the Solvent was evaporated. In accordance with the method according to the invention the thickness of the polymer layer thus obtained was not measured.

Gemäß der Erfindung wurde anschließend auf zwei Quarze zur Bildung der Doppelschicht auf die Oberfläche der Polymerschicht eine 6 nm starke Schicht aus Gold aufgebracht. Die effektive akustische Impedanz Zeff2 dieser zweiten Schicht wurde aus Materialdaten und der Dicke der Goldschicht berechnet.According to the invention, a 6 nm thick layer of gold was then applied to two quartz crystals to form the double layer on the surface of the polymer layer. The effective acoustic impedance Z eff2 of this second layer was calculated from material data and the thickness of the gold layer.

Anschließend wurden die so präparierten Quarze in jeweils zwei identische Oszillatoren integriert, die bei 0° bzw. -40° Phasendrehung der Quarze arbeiteten, in einer Meßzelle mit kontrollierbarer Atmosphäre auf jeweils die Meßtemperatur temperiert, die im beschriebenen Fall zwischen -50 und 150°C lag, und die vier Resonanzfrequenzen f1,1, f2,1, f1,12, f2,12 der Oszillatoren gemessen. Aus den gemessenen Frequenzen wurden die effektiven akustischen Impedanzen Zeff1 und Zeff12 berechnet und mit der bekannten effektiven akustischen Impedanz Zeff2 der Schicht aus Gold konnte unter Verwendung von Gleichung 3 die charakteristische akustische Impedanz Zchar der dünnen Polymerschicht berechnet werden, ohne daß deren Dicke bekannt war. The crystals prepared in this way were then integrated into two identical oscillators, which worked at 0 ° or -40 ° phase rotation of the crystals, in a measuring cell with a controllable atmosphere, each heated to the measuring temperature, which in the described case was between -50 and 150 ° C lay, and the four resonance frequencies f 1.1 , f 2.1 , f 1.12 , f 2.12 of the oscillators measured. From the measured frequencies, the effective acoustic impedances Z eff1 and Z eff12 were calculated, and with the known effective acoustic impedance Z eff2 of the layer of gold, the characteristic acoustic impedance Z char of the thin polymer layer could be calculated using equation 3 without the thickness thereof was known.

Schließlich konnten daraus die gesuchten Scherparameter, getrennt nach Speicheranteil und Verlustanteil, ermittelt werden.Finally, the shear parameters sought could be separated from them according to the storage share and Loss share, can be determined.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung des komplexen Elastizitäts- oder Schermoduls einer dünnen Schicht, bei dem die dünne Schicht auf einen oder mehrere elektromechanische Resonatoren fest haftend so aufgebracht wird, daß die Schicht im Falle mehrerer elektromechanischer Resonatoren bezüglich ihrer Eigenschaften identisch ist, wobei die Resonatoren mittels elektrischer Oszillatoren kontinuierlich in ihrer Eigenfrequenz angeregt werden, durch folgende Schritte:
  • 1. Ermittlung der effektiven akustischen Impedanz der dünnen Schicht Zeff1 aus mindestens zwei Resonanzfrequenzen von bei genügend verschiedener, bekannter Phasenlage schwingenden Oszillatoren, deren frequenzbestimmendes Glied ein mit der dünnen Schicht beschichteter Resonator ist,
  • 2. Ermittlung der effektiven akustischen Impedanz einer Doppelschicht Zeff12, wobei die Doppelschicht aus der genannten dünnen Schicht und einer zweiten Schicht mit hinreichend genau bekannter effektiver akustischer Impedanz Zeff2 besteht, die mindestens während der Meßdauer fest haftend auf der freien Oberfläche der genannten dünnen Schicht aufgebracht ist, aus mindestens zwei Resonanzfrequenzen von bei genügend verschiedener Phasenlage schwingenden Oszillatoren, deren frequenzbestimmendes Glied ein mit der Doppelschicht beschichteter Resonator ist,
  • 3. nachfolgend aus diesen Werten die charakteristische akustische Impedanz Zchar der genannten dünnen Schicht berechnet wird, aus der mittels eines bekannten physikalische Zusammenhangs der Realteil und/oder der Imaginärteil des komplexen Elastizitäts- oder Schermoduls der dünnen Schicht errechnet wird.
1. A method for determining the complex elastic or shear modulus of a thin layer, in which the thin layer is firmly adhered to one or more electromechanical resonators so that the layer is identical in terms of properties in the case of several electromechanical resonators, the resonators using electrical oscillators are continuously excited in their natural frequency by the following steps:
  • 1. Determination of the effective acoustic impedance of the thin layer Z eff1 from at least two resonance frequencies of oscillators which oscillate at sufficiently different, known phase positions, the frequency-determining element of which is a resonator coated with the thin layer,
  • 2. Determination of the effective acoustic impedance of a double layer Z eff12 , the double layer consisting of said thin layer and a second layer with sufficiently well known effective acoustic impedance Z eff2 , which adheres firmly to the free surface of said thin layer at least during the measurement period is applied, from at least two resonance frequencies of oscillators oscillating at sufficiently different phase positions, the frequency-determining element of which is a resonator coated with the double layer,
  • 3. The characteristic acoustic impedance Z char of the thin layer mentioned is subsequently calculated from these values, from which the real part and / or the imaginary part of the complex elasticity or shear module of the thin layer is calculated by means of a known physical relationship.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Messung der Frequenzwerte mehrere Oszillatoren verwendet werden, deren frequenzbestimmendes Glied elektromechanische Resonatoren sind, von denen mindestens zwei nur mit der dünnen Schicht und mindestens zwei mit der genannten Doppelschicht beschichtet sind. 2. The method according to claim 1, characterized in that for the simultaneous measurement of Frequency values of several oscillators are used, the frequency-determining element are electromechanical resonators, of which at least two are only with the thin Layer and at least two are coated with said double layer.   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzwerte f1,1 und f2,1 von zwei Oszillatoren gemessen werden, deren frequenzbestimmendes Glied jeweils elektromechanische Resonatoren sind, die nur mit der dünnen Schicht beschichtet sind, und die Frequenzwerte f1,12 und f2,12 von zwei Oszillatoren gemessen werden, deren frequenzbestimmendes Glied jeweils elektromechanische Resonatoren sind, die mit der Doppelschicht beschichtet sind.3. The method according to claim 2, characterized in that the frequency values f 1.1 and f 2.1 are measured by two oscillators, the frequency-determining element are each electromechanical resonators, which are coated only with the thin layer, and the frequency values f 1 , 12 and f 2.12 are measured by two oscillators, the frequency-determining element of which are respectively electromechanical resonators which are coated with the double layer. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Resonatoren im gleichen Schwingungsmode betrieben werden und die Resonanzfrequenzen ähnlich sind.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electromechanical resonators are operated in the same vibration mode and the Resonance frequencies are similar. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus einem dünnen starren Material oder einer Flüssigkeitsschicht mit einer ausreichenden Mindestdicke besteht und die Materialien der dünnen Schicht und der zweiten Schicht nicht ineinander löslich sind.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the second layer of a thin rigid material or a liquid layer with a sufficient minimum thickness and the materials of the thin layer and the second Layer are not soluble in each other. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanische Resonatoren vorzugsweise Dickenscherschwinger, z. B. piezoelektrische Quarzscheiben mit einer Resonanzfrequenz zwischen 500 kHz und 50 MHz, sind.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electromechanical resonators, preferably Dickenscherschwinger, z. B. piezoelectric Quartz disks with a resonance frequency between 500 kHz and 50 MHz. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Messung der Resonanzfrequenzen von elektromechanischen Resonatoren, die von bei genügend verschiedener Phasenlage schwingenden elektrischen Oszillatoren kontinuierlich in ihrer zugehörigen Eigenfrequenz angeregt werden, wobei die elektromechanischen Resonatoren das frequenzbestimmende Glied der Oszillatorschaltungen sind und mit der dünnen Schicht bzw. der Doppelschicht versehen sind.7. The device for performing the method according to claim 1, characterized by a Arrangement for measuring the resonance frequencies of electromechanical resonators, those of electrical oscillators vibrating at sufficiently different phase positions are continuously excited in their associated natural frequency, the electromechanical resonators the frequency-determining element of the oscillator circuits are and are provided with the thin layer or the double layer. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Resonatoren Dickenscherschwinger in einem 4-Element-Array, z. B. auf einem piezoelektrische Quarzsubstrat, mit einer Resonanzfrequenz zwischen 500 kHz und 50 MHz, sind.8. The device according to claim 7, characterized in that the electromechanical Dickenscherschwinger resonators in a 4-element array, e.g. B. on one piezoelectric quartz substrate, with a resonance frequency between 500 kHz and 50 MHz, are.
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