Chương 3 CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH CẢM BIẾN SÓNG BỀ MẶT
3.3. Cấu trúc cảm biến
Hình 3-2 Cấu trúc của cảm biến R-SAW
Hệ thống cảm biến chất lỏng R-SAW bao gồm hai kênh: kênh đầu tiên là một kênh mẫu và các kênh thứ hai là kênh cảm biến. Hình 3-2 cho thấy hình dạng nhìn từ trên xuống và mặt cắt ngang của các cảm biến R-SAW. IDTs cho đầu vào và đầu ra của cả hai kênh được chế tạo bằng nhôm. Những thay đổi trong suy giảm và vận tốc của sóng âm bề mặt phụ thuộc vào bình phương của hệ số ghép điện của chất nền, K2, do đó Lithium niobate là chất nền gần đúng để lựa chọn [2]. Do đó, đường truyền sóng được thực hiện trên vật liệu X-cắt Y-lan truyền Lithium Niobate. Một lỗ giếng được xuyên qua trung tâm của kênh 2. Chất lỏng mẫu lấp đầy giếng này.
Các kênh được xây dựng để các cảm biến đồng thời có thể đo các tính chất điện và cơ khí thay đổi của các chất lỏng mẫu. Các mật độ của chất lỏng mẫu thu được từ việc chuyển đổi giai đoạn khác biệt giữa các kênh tham chiếu và các kênh cảm biến và biên độ của cả hai kênh được phát hiện.
3.3.2. Vật liệu và các thông số liên quan
Hình 3-3 Thông số thiết kế của kênh 2 và kích thước giếng chất lỏng
Các thông số thiết kế của kênh 2 như trong hình 3-3. Đế được làm bằng vật liệu áp điện Lithium Niobate trong lớp 3m đối xứng. Độ cứng, hằng số áp điện và điện dung vật liệu được thể hiện đầy đủ trong Phụ lục. Để xây dựng một mô hình 3D của chất nền X-cắt và Y-lan truyền Lithium Niobate, một miền 3D có kích thước 240 µm theo trục X, 120 µm theo trục Y và 30 µm theo trục Z được tạo ra. Có hai IDTs thêm trên đỉnh của chất nền áp điện này. Mỗi một IDTs có hai cặp điện cực chuyển đổi cơ-điện với mỗi điện cực rộng 10 µm và dài 100 µm. Khoảng cách giữa các điện cực là 10 µm - bằng độ rộng của mỗi điện cực. Vận tốc SAW được tìm thấy ở V = f0A trong đó chu kỳ truyền A hay còn gọi là bước sóng là 40µm. Theo tài liệu tham khảo, vận tốc truyền sóng âm trong một chất nền X-Y Lithium niobate là khoảng 3485 m / s [12]. Chiều dài tương tác giữa đầu vào và đầu ra IDT là 80 µm. Sử dụng thông số vận tốc này, ước tính thời gian tối thiểu cho các sóng âm thanh để truyền qua khoảng cách giữa các IDTs đầu vào và đầu ra trong mô hình là 23 ns.
Đối với kênh truyền thứ 2, một giếng chất lỏng có đường kính 20 µm và chiều cao 30 µm được đặt ở trung tâm của giữa đầu vào và đầu ra IDTs. Các chất lỏng được sử dụng nước, nước trộn với glycerol (W / G), và Brom có tính chất
Chất lỏng
(mm2s-1) (gcm-3)
Nước 1.00 1.00
W/G 11.50 1.161
Brom 0.31 3.123
Sau khi xây dựng mô hình đầu tiên này, một mô hình thứ hai của kênh 1 với kích thước tương tự được tạo ra. Một hiệu điện thế dạng sóng hình sin được đặt cho hai điện cực so le của đầu vào IDT, trong khi hai điện cực còn lại đã được nối đất.
Các bề mặt áp điện của các mô hình phát triển đã được chia thành các phần nhỏ kích thước tối đa là 11,2 µm và IDT đã được chia nhỏ với kích thước tối đa là 6,4 µm. Những thông số được cung cấp một mạng lưới dày đặc hơn nhiều ở trên cùng của mô hình đó là điều cần thiết để đạt được độ chính xác cao trong việc mô phỏng sự lan truyền SAW.
Một điện áp hình sin 10V có tần số 100MHz được đặt cho các đầu vào IDT để tạo ra sóng SAW. Điện áp đầu ra trong cả hai trường hợp đã được thu lại tại các điện cực luân phiên của các đầu ra IDT.
Ưu điểm của thiết kế này là cùng một lúc, các tín hiệu cảm biến của hai kênh có thể được sử dụng để so sánh. Từ đó, chúng ta có thể dễ dàng tìm ra sự khác biệt của tín hiệu đầu ra. Sự khác biệt đó là cơ sở cho cảm biến hoạt động.