Báo cáo Đề tài Vi cân tinh thể Thạch anh QCM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR VI
CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM 5,5 MHz

Institute of Engineering Physics – Hanoi University of Technology


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT

Báo Cáo QCM
NỘI DUNG
Tổng quan QCM
1
Mô phỏng tính chất QCM
2
Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz
3
Kết quả
4
Kết luận
5
QCM và đặc tính nhạy
1.1
QCM và ứng dụng
1.2
Tổng quan QCM
1
QCM - Quartz Crystal Microbalance : Vi cân tinh thể thạch anh
QCM và đặc tính nhạy
Hình: Cấu trúc sensor QCM
Nguyên lí hoạt động của QCM dựa trên hiệu ứng áp điện
QCM và đặc tính nhạy
Hình: Biến dạng trượt của AT - cut
Khi có điện áp hai bản cực  Biến dạng trượt tạo ra sóng âm TSM (Thickness Shear Mode) theo bề dày tinh thể.
QCM và đặc tính nhạy
Dao động của tinh thể sẽ cộng hưởng khi bề dày tinh thể bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng âm
N : bậc mode (1,3,5…)
νq : vận tốc sóng âm trong quartz
d: chiều dày quartz
Tần số cộng hưởng cơ bản:
QCM và đặc tính nhạy
Khối lượng chất hấp thụ trên bề mặt điện cực gây ra dịch tần số cộng hưởng (phương trình G.Sauerbrey):
Cf : hệ số nhạy khối lượng;
Δf0 = 1 Hz
Δm = 17.7 ng/cm2
Độ dịch tần số trong môi trường chất lỏng:



(phương trình Kanazawa)
QCM và ứng dụng
Sensor nhạy khí
Sensor đo mật độ, độ nhớt chất lỏng
QCM và ứng dụng
Sensor đo mức độ ô nhiễm không khí và môi trường
Sensor đo mức độ lắng đọng chất hòa tan
Sensor đo bề dày màng mỏng bốc bay
Sensor miễn dịch
Sensor phát hiện DNA, RNA
Mô phỏng tính chất cơ QCM
2.1
Mô phỏng tính chất điện QCM
2.2
Mô phỏng tính chất QCM
2
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mục đích:
Tìm ra tần số dao động của biến dạng trượt bề mặt của tấm AT - cut.
Xác định ứng xử của tấm AT - cut khi có tải điện áp đặt vào.
Dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn khảo sát tính chất cơ của QCM bề dày tấm AT - cut thay đổi tìm ra tấm bề dày có fo = 5.5 MHz
Sử dụng phần mềm ANSYS chọn phần tử Solid 98 để mô tả tính chất cơ của QCM
Số liệu đặc tính tấm AT - cut
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Các bước mô phỏng và kết quả

Mô hình hoá linh kiện QCM bề dày tấm AT - cut 300 μm
2. Áp đặt điều kiện biên và tải tác dụng
Tính toán
Hình : Mô hình QCM bề dày
d = 300 μm, đường kính D = 6.5 mm
Hình : Chia lưới mô hình QCM bề dày
d = 300 μm, đường kính D = 6.5 mm
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Kết quả
Tần số : 5.55 MHz
Biên độ :
+ Bề mặt max: 1,891 nm
+ So với trục Oz: 1,122 nm
Hình: Dao động trượt bề mặt của QCM
Mô phỏng tính chất điện của QCM
Mục đích:
Xác định tính chất điện của QCM khi có tải lắng đọng trên bề mặt có độ dày khác nhau.
Hiệu chỉnh phương trình Sauerbrey cho tải trong môi trường chất lỏng.
Sử dụng phần mềm Matlab có độ linh động và tính toán ưu việt, phù hợp mô tả tính chất này.
Đưa ra các kết quả mô phỏng để so sánh với các kết quả đo được của QCM chế tạo cùng cấu trúc.
Mô phỏng tính chất điện của QCM
Cơ sở :
Phương trình Sauerbrey
Phương trình Kanazawa
Mô hình mạch điện tương đương BVD
Màng
Bộ cộng hưởng thạch anh

Hình: Mạch tương đương BVD của QCM
Mô phỏng tính chất điện của QCM
Giá trị đầu vào
QCM AT - cut
Khối lượng và bề dày màng lắng đọng lên QCM
Mô phỏng tính chất điện của QCM
Kết quả
Đồ thị : Phổ dẫn nạp phức
của QCM bề dày AT-cut 300 um
Đồ thị : Quan hệ góc pha dẫn nạp của QCM
theo tần số dao động đo với 5 khối lượng
màng phủ khác nhau
Mô phỏng tính chất điện của QCM
Đồ thị : Phổ dẫn nạp của QCM cho 5 tải khối
lượng khác nhau (phần nét thanh là phổ cho tải
lý tưởng, phần nét đậm là cho tải thực)
Đồ thị  : Hệ số điều chỉnh
phương trình Sauerbrey
Kết quả
Mô phỏng tính chất điện của QCM
Bảng: Tần số cộng hưởng song song và tần sô
cộng hưởng nối tiếp, tỷ số C1/Co và hệ số phẩm chất Q của QCM với 5 tải
Kết quả
Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz
3
Tính toán độ dày của phiến AT-cut và kích cỡ điện cực QCM:






Kích thước tinh thể và điện cực có thể ảnh hưởng đến sự kết cặp của các mode gây nhiễu và mode tuần hoàn.

vq = 3320 m/s
d = 1660/ f0
d = 1660/ 5,5
= 300 μm
Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz
3
Cấu trúc QCM, độ dày của phiến AT-cut và kích cỡ điện cực QCM:






Hình: Thiết kế QCM
Bảng: Kích thước điện cực QCM
Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz
3
Chế tạo MASK: sử dụng Corel Draw
Hình: Mask chế tạo QCM cấu trúc Planar 5,5 MHz
Hình a: Mask 1 điện cực trên (đường kính 13 mm)
Hình b: Mask 2 điện cực dưới và phần điện cực liên
kết bên (đường kính 6.5 mm)
a)
b)
Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz
3
Quy trình chế tạo
Kết quả
4
Kết quả: Tạo được 6 QCM
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo
Phổ dẫn nạp
Hình: Máy đo R37CG
Network Analyzer (300 KHz- 3.8 GHz)
Hình : Phổ dẫn nạp của sensor
QCM planar 5,5 MHz
5,482604 MHz
5,484169 MHz
5,484169 MHz
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo
Phổ độ dẫn và hệ số Q
5,483387 MHz
Hình : Phổ độ dẫn của sensor QCM planar 5,5 MHz
Q = 3503
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo
Góc pha dẫn nạp
Hình : Đồ thị sự thay đổi góc pha dẫn nạp theo tần số
Kết quả
4
Kết quả đo QCM thương mại fo = 5 MHz (SRS – Mỹ)
Hình : Đồ thị phổ độ dẫn của QCM thương mại
5,004 MHz
Q = 1776
Kết quả
4
Kết quả đo độ dẫn mode bậc cao của QCM chế tạo
Hình : Đồ thị phổ độ dẫn các mode bậc cao của QCM
Mode bậc 3
Mode bậc 5
Kết quả
4
Kết quả đo độ dẫn mode bậc cao của QCM chế tạo
Hình : Đồ thị phổ độ dẫn mode bậc 7
Mode bậc 7
Bảng : Đồ thị tần số cộng hưởng và hệ số
phẩm chất tương ứng với các mode
Kết quả
4
Bộ gá / giữ QCM
- Vật liệu: Teflon
- Giữ QCM ổn định
- Kết nối với hệ đo
QCM 200 để đo đạc
và khảo sát.
Hình: Hệ đo QCM 200 và bộ gá QCM
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo trong không khí
Tần số hoạt động của QCM
Đồ thị: Tần số sensor QCM theo thời gian
fo = 5.48 MHz
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo trong không khí
Điện trở động Rm của QCM
Đồ thị: Điện trở động QCM trong không khí
Rm = 93.5 Ω
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo trong không khí
Độ dịch tần số, điện trở động
Đồ thị: Đồ thị độ dịch tần Δf
Đồ thị: Độ thay đổi điện trở ΔRm
Δf = 0
ΔRm = 0
Kết quả
4
Kết quả đo QCM chế tạo trong không khí
Độ thay đổi khối lượng
Đồ thị: Độ thay đổi khối lượng Δm
Δm = 0
Kết quả
4
Kết quả đo QCM trong dung môi nước
Nước được phủ kín bề mặt điện cực và bốc hơi
Hình: Sự dịch tần số và điện trở động của QCM trong nước
Kết quả đo QCM trong dung dịch
+ Khảo sát với dung dịch đường và muối
Hình :Độ dịch tần số ∆fo của QCM 5,5 MHz
trong dung dịch muối NaCl
Hình: Độ dịch tần số ∆fo của QCM 5,5 MHz
trong dung dịch đường Glucose
4
Kết quả
Kết luận
5

Mô phỏng thành công tính chất điện và tính chất cơ của sensor QCM planar tần số 5,5 MHz .
Đã tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo sensor QCM trên cơ sở kỹ thuật phún xạ và kỹ thuật liff - off.
Kết quả nghiên cứu tính chất điện cho thấy sensor QCM do chúng tôi chế tạo có tần số cộng hưởng cơ bản f0 = 5,48 MHz và hệ số phẩm chất Q = 3503. Các mode cộng hưởng bậc cao có tần số hoạt động là (2n+1).f và có hệ số phẩm chất giảm giảm dần theo độ bội.
So sánh với sản phẩm thương mại cùng loại của hãng SRS - Mỹ, kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số phẩm chất của sensor QCM do chúng tôi chế tạo có giá trị lớn hơn.
Kết quả nghiên cứu sự phụ thuộc của tần số vào nồng độ dung dịch đường và muối đã khẳng định khả năng sử dụng sensor QCM trong môi trường chất lỏng.
Nguyễn Văn Định
Thank You !
Hanoi University of Technology