Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T5 2016 Trang 207 Mô phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10 MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng của lưu chất theo phương pháp trường cặp đôi Dương Tấ[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Mô hoạt động linh kiện QCM 10 MHz hoạt động ảnh hưởng lưu chất theo phương pháp trường cặp đôi Dương Tấn Phước Nguyễn Đăng Giang Trương Hữu Lý Lê Trầm Ngọc Dũng Trung tâm nghiên cứu đào tạo thiết kế vi mạch ICDREC, ĐHQG-HCM Vũ Lê Thành Long Trương Văn Phát Ngô Võ Kế Thành Trung tâm Nghiên cứu Triển khai, Khu Công nghệ cao TP.HCM (Bài nhận ngày 02 tháng 01 năm 2016, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016) TÓM TẮT trường cặp đôi lưu chất-cấu trúc, hai phương Bài báo trình bày việc mơ hoạt pháp mơ phần tử hữu hạn động lực học động linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM với lưu chất sử dụng phần mềm Ansys Mechanical tần số cộng hưởng 10 MHz hoạt động ANSYS Fluent thực nhằm xác định môi trường lưu chất (máu, nước, dung dịch có độ tín hiệu đầu Phương pháp định lượng nhớt cao …) Do linh kiện QCM hoạt động chất tải bề mặt linh kiện bước đầu chất tinh thể áp điện nên việc mô xây dựng nhằm tạo đường chuẩn làm sở phải sử dụng phần tử có hỗ trợ thuộc tính áp điện hướng đến ứng dụng cảm biến sinh học (SOLID 226) Việc xác định ứng xử linh kiện hóa học lưu chất quan trọng hướng đến ứng dụng thực tế Dựa phương pháp Từ khóa: linh kiện vi cân tinh thể thạch anh, QCM, FSI, Ansys Fluent, Ansys Mechanical, CFD GIỚI THIỆU Ngày nay, linh kiện vi điện tử nhiều quan tâm nhờ ưu điểm nhỏ gọn, độ xác độ nhạy cao, khả ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực tự động, y tế truyền thông Các linh kiện vi điện tử chuyển đổi truyền tải tín hiệu, khả cảm nhận mơi trường xung quanh dựa thay đổi tính chất vật lý khác Một số hiệu ứng áp điện chất linh kiện có khả chuyển đổi lượng điện thành dao động học ngược lại Các linh kiện áp điện phân loại dựa kiểu dao động học phần tử chất nền, điển hình vi cân tinh thể thạch anh QCM (Quartz Crystal Microbalance) với dạng dao động sóng trượt theo chiều dày (Thickness shear mode) Việc quan sát phân bố ứng suất, suy hao lượng hay ứng xử bề mặt linh kiện QCM điều kiện hoạt động dựa thực tế yếu tố cần thiết việc chế tạo hướng đến ứng dụng loại linh kiện cảm biến sinh học Mô trình cần thiết để giảm thiểu thời gian chi phí thực trước chế tạo linh kiện Hiện tại, có nhiều nghiên cứu việc mô hoạt động linh kiện QCM, nhiên, Trang 207 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 việc khảo sát ảnh hưởng trực tiếp lưu chất đến hoạt động linh kiện QCM khơng nhiều, kể đến số nghiên cứu tiêu biểu cơng trình ―Design and simulation of flow cell chamber for quartz crystal microbalance sensor array‖ tác giả Jaruwongrungsee, K , ―Simulation of sample transport‖ tác giả Mats Jưnsson, nghiên cứu có xem xét đến đáp ứng lưu chất xung quanh bề mặt linh kiện, nhiên chưa xem xét đến tượng tiêu tán lượng gây tần số giảm chấn cho linh kiện Trong báo này, nhóm nghiên cứu tiến hành mô hoạt động linh kiện QCM mơi trường lưu chất Quy trình mô xây dựng theo phương pháp trường cặp đơi (Fluid Structure Interaction) Đây phương pháp tính tốn kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn động lực học lưu chất Phương pháp cho phép tính tốn q trình tương tác linh kiện với lưu chất ngồi thơng qua biên trường cặp đôi Phương pháp định lượng chất tải bề mặt linh kiện bước đầu xây dựng nhằm hướng đến ứng dụng cảm biến sinh học hóa học hoạt động có tương tác với miền lưu chất xung quanh nhiệt độ ổn định Đây trạng thái tương tác qua lại hai chiều (two ways) Với cấu trúc có ứng với vùng tần số hoạt động, nhóm tiếp tục sử dụng phương pháp phân tích tương tác cấu trúc lưu chất, nhiên, giai đoạn này, lưu chất dung dịch lỏng có tác nhân hóa học bám vào bề mặt điện cực Quá trình nhằm cung cấp nhìn trực quan đáp ứng linh kiện QCM hoạt động môi trường lỏng với vai trò cảm biến sinh học, từ lập sở liệu nhằm đối chiếu kết đo đạc sau Quá trình phân tích đáp ứng tinh thể có điện áp thiết lập với đầu vào điệp áp kích V khoảng thời gian 0,39964 μs Sau tiến hành cất tải (bỏ điện áp kích) phân tích đáp ứng đầu Tương ứng với thời gian lấy mẫu 0,0004 μs Hình trình bày quy luật gia tải điện áp kích thích vào linh kiện QCM 10 MHz VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Để khảo sát ảnh hưởng lưu chất lên hoạt động linh kiện QCM, tiến hành phân tích lượng tiêu tán thơng qua hệ số giảm chấn tín hiệu thu từ trình phân tích q độ (transients) Mục đích việc nhằm xác định tiêu hao lượng độ nhớt lưu chất ảnh hưởng vào trình hoạt động Năng lượng trình dao động linh kiện tiêu tán dần ảnh hưởng lưu chất xung quanh Vì vậy, muốn xác định hệ số giảm chấn phải thiết lập mơ hình tương tác hai miền lưu chất cấu trúc Bài tốn chúng tơi đặt gần với đáp ứng thực tế toán cấu trúc linh kiện QCM Trang 208 Hình Điện áp kích thích đặt vào linh kiện Phương pháp Quy trình mơ linh kiện QCM tiến hành sở phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp động lực học lưu chất Vai trò phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn ứng suất, biến dạng, chuyển vị linh kiện kích thích điện áp Dữ liệu chuyển vị gửi sang phần tính tốn động lực học lưu chất với vai trò tham số đầu vào Tại đây, phương pháp động lực học lưu chất dựa chuyển vị tính tốn giá trị áp suất tồn khu vực có liên quan miền lưu chất Dữ liệu áp suất gửi trực tiếp xem đầu vào trình tính tốn cấu trúc Q TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 trình tính tốn lặp với trao đổi thông tin chuyển vị áp suất hai phương pháp tiến hành liên tục Hình Mơ hình linh kiện QCM với chất tải bề mặt điện cực môi trường lưu chất Hình Quá trình thực dựa phương pháp trường cặp đôi Phương pháp phần tử hữu hạn với hỗ trợ phần mềm ANSYS Version 15 sử dụng để phân tích đáp ứng linh kiện trường hợp định lượng chất tải điện cực, module sử dụng ANSYS Transient ngơn ngữ lập trình tính tốn MATLAB sử dụng để xử lý tín hiệu phân tích tần số Mơ hình xây dựng bao gồm miền lưu chất miền cấu trúc, bề mặt tiếp xúc hai miền gọi interface Điều kiện biên cấu trúc cảm biến gia tốc mô tả mơ hình giải tích, điều kiện biên lưu chất bao gồm hai biên wall thay cho phần đế thạch anh, biên interface thiết lập bề mặt tiếp xúc với cấu trúc cảm biến Điều kiện thực mô nhiệt độ 25 oC, mô hình dịng chảy tầng, khơng khí xem khí lý tưởng, áp suất dư atm, áp suất khí atm, vận tốc dịng khí ban đầu m/s Mơ hình phân tích trình bày thơng qua Hình Mơ hình xây dựng không gian ba chiều (3D) sử dụng phần tử bậc hai nhằm tăng độ xác kết phân tích Dữ liệu đầu thơng qua phép phân tích xử lý tín hiệu phân tích tương quan, phân tích tín hiệu miền tần số (Fourier) để tạo sở liệu Mô hình phần tử hữu hạn linh kiện QCM xây dựng phần tử SOLID226 có hỗ trợ phân tích hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) Số bậc tự nút bao gồm chuyển vị theo phương x, y, z (Ux, Uy, Uz) điện áp (VOLT) Phần tử MASS21 sử dụng để mơ hình hóa phân tử khí bám bề mặt màng cảm biến có xét đến qn tính khối lượng Sử dụng kỹ thuật ràng buộc điểm (CP Node) để mơ hình hóa liên kết điện cực tinh thể thạch anh Q trình phân tích sử dụng kỹ thuật đáp ứng q độ (transient) tính tốn phương pháp chồng chất (superposition) Vật liệu dùng mô đặc trưng ten xơ bất đẳng hướng phụ thuộc vào góc quay tinh thể Kết tồn q trình đánh giá dựa độ suy hao lượng độ dịch tần số Trang 209 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Hình trình bày giai đoạn tiền xử lý với hai bước thiết kế mơ hình 3D chia lưới mơ hình Lưới chia theo cấu trúc hình lục diện với số phần tử 20420 phần tử bậc (khơng có nút giữa) với mật độ nhằm tăng độ xác kích thước ma trận không lớn dùng phần tử tam giác Tiêu chí chia lưới xét đến skewness nhỏ 0,4; aspect nhỏ để tránh tượng dominate ma trận lắp ghép, jacobian lớn 0,8 nhằm tránh sai số chuyển phần tử chủ khơng gian tham chiếu, mục đích tăng tốc độ hội tụ nghiệm trình phân tích theo thời gian tránh sai số mapping dựa sở phần tử tốt Hình Mơ hình 3D cấu trúc biên dạng lưới sau thiết lập Q trình mơ sử dụng trình giải MFX mơi trường ANSYS Workbench thơng qua module phân tích Transient – đặc trưng cho cấu trúc module phân tích CFX – đặc trưng lưu chất Hình Hình Lưu đồ phần tích tính tốn trường cặp đơi (FSI) Trang 210 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 KẾT QUẢ chu kỳ kể từ kích thích Bên cạnh đó, nhóm phân tích tính tốn giá trị tần số trường hợp có tải khơng tải với số độ nhớt cố định Kết trình bày Hình Kết tồn q trình đánh giá dựa phổ ứng suất - chuyển vị linh kiện QCM, tín hiệu chuyển vị thu theo ba phương phổ tần số đáp ứng linh kiện Hình Phổ tần số linh kiện Hình Phổ chuyển vị linh kiện Phổ tần số thu sau phân tích cho thấy kết tần số cộng hưởng hội tụ 9,9965 MHz, xấp xỉ giá trị tần số lựa chọn thiết kế ban đầu theo phân tích đáp ứng điều hịa Do đó, mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng để phân tích ứng xử linh kiện chấp nhận Kế đến, nhóm tiến hành phân tích trường hợp linh kiện phủ màng cảm biến hoạt động mơi trường lưu chất khác Hình cho thấy kết phân bố chuyển vị linh kiện QCM điều kiện có tải, kế đến, tiến hành phân tích tín hiệu thu từ điểm điện cực, giá trị dạng tín hiệu đầu trình bày Hình -8 2.5 x 10 Ux-Non electrode Uy-Non electrode Uz-Non electrode Để xác định cụ thể giá trị hệ số giảm chấn ứng với hệ số độ nhớt lưu chất, nhóm tiến hành phân tích nhiều thơng số độ nhớt Kết trình bày Bảng 1.5 Displacement (m) 0.5 -0.5 Bảng Giá trị hệ số tắt dần, tần số giảm chấn, số squeeze độ dịch tần sốt theo độ nhớt -1 -1.5 -2 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 -6 x 10 Hình Dạng tín hiệu thu từ điện cực theo ba phương linh kiện QCM tần số cộng hưởng 10 MHz Kết q trình mơ trường cặp đơi trình bày hình 7, liệu chuyển vị theo thời gian kể từ sau kích thích dao động có dạng hàm điều hòa với biên độ tắt dần Biên độ dao động linh kiện QCM bị tắt dần Độ nhớt (kg/ms) 0,1 0,05 0,01 0,005 Tần số giảm 9,887 chấn (MHz) 9,901 9,928 9,977 Số Squeeze 2,556 2,246 1,989 1,775 Hệ số tắt dần 0,863 0,784 0,632 0,57 Độ dịch tần số (MHz) 0,1095 0,0955 0,0685 0,0195 Trang 211 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Mối quan hệ độ dịch tần số độ nhớt chất tải Độ nhớt thay đổi khoảng từ 0,005 đến 0,1 kg/ms Đồ thị độ dịch tần số so với tần số cộng hưởng QCM với giá trị độ nhớt liên tục, với với giá trị độ nhớt, độ dịch tần số lớn QCM hoạt động tần số cao Ngoài ra, tỉ lệ giá trị lớn nhỏ độ dịch tần số hài linh kiện QCM khoảng gần 10 tương ứng với độ nhớt 0,1 kg/ms 0,1095 MHz độ nhớt 0,005 kg/ms 0,0195 MHz và, điều cho thấy tỉ lệ ảnh hưởng độ nhớt lên linh kiện QCM giống linh kiện QCM chịu tải khác Như vậy, kết luận, độ dịch tần số cộng hưởng linh kiện QCM phụ thuộc vào tần số cộng hưởng Khi tần số cộng hưởng lớn độ dịch tần số lớn Điều phù hợp với lý thuyết Sauerbrey Kanazawa [5, 6] Như vậy, với linh kiện QCM có tần số cộng hưởng khác nhau, xây dựng cơng thức tuyến tính gần nhất, tiến hành sử dụng QCM thực tế, thông qua việc tiến hành đo đạc tối thiểu bốn lần kết hợp với phương pháp chọn kết đưa giá trị độ nhớt chất tải gần Nhằm hướng đến ứng dụng sinh học, bốn loại lưu chất chọn máu, nước, dung dịch với độ nhớt khác với giá trị 0,003 Trang 212 kg/ms, 0,0032 kg/ms, 0,0034 kg/ms 0,0036 kg/ms Kết trình bày Hình 10 Hình 10 Đồ thị thể thay đổi độ dịch tần số linh kiện QCM tần số cộng hưởng 10 MHz với bốn loại lưu chất KẾT LUẬN Nhóm nghiên cứu trình bày quy trình mơ ứng xử linh kiện QCM môi trường lưu chất Nhóm khảo sát hoạt động linh kiện QCM điều kiện bình thường có tải với kết gần môi trường mô Ansys Mechanical ANSYS CFX dựa phương pháp trường cặp đơi FSI Với thành nhóm bước đầu xây dựng phương pháp định lượng chất tải thơng qua xử lý tín hiệu số ngõ linh kiện QCM Đây tiền đề quan trọng để nhóm nghiên cứu hướng đến việc ứng dụng vào lĩnh vực cảm biến tương lai TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Simulating the operation of 10 MHz quartz crystal microbalance under the effection of fluid used couple field method Duong Tan Phuoc Nguyen Dang Giang Truong Huu Ly Le Tram Ngoc Dung IC Design Research and Education Center, VNU–HCM Vu Le Thanh Long Truong Van Phat Ngo Vo Ke Thanh Research & Development Center, Saigon Hitech-Park – HCM City ABSTRACT This article presents the simulation of of fluid domain is important for applications operation of 10 MHz resonance frequency quartz Couple field method (structure-fluid) including crystal microblance device QCM in case of fluid finite element method and computational fluid domain (blood, water, high viscosity fluid …) dynamic method was used to determine output Because QCM device operates in piezoelectric signals The loading quantitative method on substrate, simulation has to use the structuresurface’s devices was built for the applications in electric couple field element (SOLID 226) biological and chemical sensors Determination of behaviors of device in the case Key words: quartz crystal microbalance device, QCM, FSI, Ansys Fluent, Ansys Mechanical, CFD TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.T Leondes, MEMS/NEMS: Handbook techniques ans applications, Sprinter Science & Business Media, 1, 325–335 (2008) [2] S Middehoek, Handbook of sensors and actuators, Elsevier, (2000) [3] H.M Shizari, Quartz Crystal Microbalance/Heat Conduction Calorimetry (QCM/HCC), a new technology capable of isothermal hight sensitivity, mass and heat flow measurements at a solid/gas interface, Doctor of Philosophy, USA, 12–69 (2000) [4] H.H Lu, Y.K Rao, T.Z Wu, Y.M Tzeng, Direct characterization and quantification of volatile organic compounds by piezoelectric module chips sensor, Sensors and Actuators B: Chemical, 137, 741–746 (2008) [5] G.Z Sauerbrey, Use of quartz vibration for weighing thin films on a microbalance, J Physic, 155, 206–212 (1959) [6] K.K Kanazawa, J.G Gordon, Frequency of a quartz microbalance in contact with liquid, Analytical Chemistry, 57, 1771– 1772 (1985) Trang 213 ... tiến hành mô hoạt động linh kiện QCM mơi trường lưu chất Quy trình mơ xây dựng theo phương pháp trường cặp đôi (Fluid Structure Interaction) Đây phương pháp tính tốn kết hợp phương pháp phần... vị áp suất hai phương pháp tiến hành liên tục Hình Mơ hình linh kiện QCM với chất tải bề mặt điện cực môi trường lưu chất Hình Quá trình thực dựa phương pháp trường cặp đôi Phương pháp phần tử... pháp phần tử hữu hạn động lực học lưu chất Phương pháp cho phép tính tốn trình tương tác linh kiện với lưu chất ngồi thơng qua biên trường cặp đơi Phương pháp định lượng chất tải bề mặt linh