Báo cáo Đề tài Vi cân tinh thể Thạch anh QCM

QCM và đặc tính nhạyHình: Biến dạng trượt của AT - cut ra sóng âm TSM Thickness Shear Mode theo bề dày tinh thể... QCM và ứng dụng Sensor nhạy khí At-cut Quartz Carbon nanotube Điện cự

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR VI

CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM 5,5 MHz

Institute of Engineering Physics – Hanoi University of Technology

Báo Cáo QCM

 QCM - Quartz Crystal Microbalance : Vi cân

QCM và đặc tính nhạy

Hình: Biến dạng trượt của AT - cut

ra sóng âm TSM (Thickness Shear Mode) theo bề dày tinh thể

QCM và đặc tính nhạy

dày tinh thể bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng âm

2 2

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):

m c

l l

f f

µ

πρ η ρ

2 / 3 0

∆ (phương trình Kanazawa)

QCM và ứng dụng

 Sensor nhạy khí

At-cut Quartz

Carbon nanotube

Điện cực vàng

 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

 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

Khối lượng riêng Độ dày Đường kính

Mô phỏng tính chất cơ QCM

 Các bước mô phỏng và kết quả

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

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

ưu việt, phù hợp mô tả tính chất này.

đo được của QCM chế tạo cùng cấu trúc.

Mô phỏng tính chất điện của QCM



Hình: Mạch tương đương BVD của QCM

Mô phỏng tính chất điện của QCM

điện môi (S4/kg.m3)

Hằng số áp

riêng (kg/m3 )

Modul trượt (N/m2 (Pa))

Độ nhớt (kg/m.s )

300,0 e-6 3,982 e-11 9,53 e-2 2648 2,947 e10 9,2475 e-3

QCM AT - cut

Khối lượng và bề dày màng lắng đọng lên QCM

M 200e-6 500e-6 1000e-6 2000e-6 3500e-6

h 1.8815e-6 4.7037e-6 9.4073e-6 1.8815e-5 3.2926e-5

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

Đại lượng

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

Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz

3

Kết quả

4

 Kết quả: Tạo được 6 QCM

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

=

Q = 3503

cơ bản)

Mode

3 Mode 5 Mode 7

Tần số CH (MHz) 5,483 16,317 27,3 38,2

Hệ số

Q 3503 86 85 82

Mode bậc 7

Bảng : Đồ thị tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất tương ứng với các mode

90 92 94 96 98 100

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

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

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

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Kết luận

5

QCM planar tần số 5,5 MHz

kỹ thuật phún xạ và kỹ thuật liff - off

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

kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số phẩm chất của sensor QCM do chúng tôi chế tạo có giá trị lớn hơn

đường và muối đã khẳng định khả năng sử dụng sensor QCM trong môi trường chất lỏng

Nguyễn Văn Định

Hanoi University of Technology