Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 27(113)

Рубрика журнала: Технические науки

Секция: Нанотехнологии

Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2

Библиографическое описание:
Нешумова А.В. ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕНСОРОВ ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫХ МИКРОВЕСОВ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2020. № 27(113). URL: https://sibac.info/journal/student/113/186465 (дата обращения: 13.08.2020).

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕНСОРОВ ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫХ МИКРОВЕСОВ

Нешумова Анна Владимировна

студент, инженерная академия, Российский университет дружбы народов,

РФ, г. Москва

INCREASING SENSITIVITY OF QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE SENSORS

 

Anna Neshumova

student, Academy of Engineering, RUDN University,

Russia, Moscow

 

АННОТАЦИЯ

В статье изложено теоретическое и практическое обоснование возможности повысить чувствительность сенсоров пьезокварцевых микровесов.

ABSTRACT

The article describes the theoretical and practical justification of the possibility to increase the sensitivity of quartz crystal microbalance sensors.

 

Ключевые слова: пьезокварцевые микровесы, сенсор, пьезокварцевый резонатор, микровзвешивание, чувствительность.

Keywords: quartz crystal microbalance, sensor, piezo-quartz resonator, microweighing, sensitivity.

 

В настоящее время все активнее используются электронные приборы на основе датчиков или сенсоров. Одним из таких приборов являются пьезокварцевые микровесы (ПКМ). Роль сенсоров в ПКМ играют пьезокварцевые резонаторы, однако их чувствительность уступает сенсорам других видов [5]. Пьезокварцевые микровесы могут использоваться не только в вакууме, но также в жидкой и газовой фазах, и применяться в совершенно разных сферах, например, в медицине и криминалистике [2; 1; 4]. Именно поэтому повысить чувствительность прибора особенно важно.

Для расчета приращения массы, измеренного с помощью ПКМ, применяется уравнение Зауэрбрея [6]. Из него можно выразить массовую чувствительность, которая вычисляется по формуле:

                                                                               (1)

 — массовая чувствительность;

 — собственная резонансная частота, Гц;

А — площадь пьезоэлектрически активного кристалла (площадь между электродами), см2;

 — плотность кварца, г/см3 ( = 2,65 г/см3 [3]);

 — модуль сдвига кристаллов кварца АТ-среза,  = 2,9471011 гсм-1с-2.

Из формулы видно, что массовая чувствительность S зависит от собственной резонансной частоты пьезокварцевого резонатора .

Исходя из этого, было предположено, что чувствительность пьезокварцевых микровесов увеличится, если в качестве сенсоров использовать резонаторы с большей собственной резонансной частотой.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы было решено провести эксперимент.

Для проведения эксперимента было отобрано несколько пьезокварцевых резонаторов с собственными резонансными частотами 10, 20, 80 и 220 МГЦ. Параметры каждого из резонаторов были измерены с помощью векторного анализатора цепей CPNA-330. Затем на каждый из резонаторов был нанесен тонкий слой золота. Для этого был выбран метод магнетронного напыления, чтобы обеспечить равномерность покрытия, одинаковую толщину слоя золота на каждом резонаторе, а также чтобы покрыть все резонаторы единовременно. Для напыления было выбрано золото, так как оно не будет окисляться и измерения проводятся на воздухе. После покрытия резонаторов золотом, их параметры снова были измерены и проведены необходимые расчеты.

Таблица 1.

Данные для расчета чувствительности

ʄ0, Гц

А, см2

S, Гц/г

1

10008903,30

0,1256000

1805096142,51

2

10014721,40

0,1256000

1807195330,00

3

10015207,00

0,1256000

1807370591,06

4

20613613,10

0,0706500

13611721837,43

5

25120349,70

0,0706500

20214182690,11

6

80194791,00

0,0044156

3296227110585,67

7

221452293,00

0,0019625

56554567872534,50

8

226394354,00

0,0019625

59106944470181,50

 

По данным, полученным в результате эксперимента, был построен график зависимости чувствительности сенсоров ПКМ от их собственной резонансной частоты.

 

Рисунок 1. График зависимости чувствительности резонаторов от их собственной резонансной частоты

 

Проведенный эксперимент подтверждает возможность повысить чувствительность сенсоров пьезокварцевых микровесов за счет сенсоров с большей собственной резонансной частотой.

 

Список литературы:

  1. Агафонова Л. Е., Лисица А. В., Шумянцева В. В., Арчаков А. И. ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ИММУНОСЕНСОР ДЛЯ АНАЛИЗА ПЛАЗМЫ КРОВИ БОЛЬНЫХ ИНФАРКТОМ МИОКАРДА И РАННЕЙ КЛИНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ // МЕДИЦИНСКИЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. - 2012. - Т. 12. - № 4. - С. 22-24
  2. Ермолаева Т. Н., Калмыкова Е. Н., Шашканова О. Ю. Пьезокварцевые биосенсоры для анализа объектов окружающей среды, пищевых продуктов и для клинической диагностики // Рос. хим. ж. - 2008. - Т. 52. - № 2. - С. 17-29
  3. КВАРЦ // Энциклопедия Кругосвет URL: https://www.krugosvet.ru/enc/geologiya/kvarc (дата обращения: 05.05.2020)
  4. Коренман Я.И., Кучменко Т.А. Импедансная модель функционирования пьезокварцевого сенсора в системе «сенсор–селективное покрытие–жидкая фаза» // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2013. - Т. 13. – Вып. 5. - С. 695-703
  5. Aashish Joseph Design and Analysis of High-Frequency Quartz Crystal Microbalance Sensor Array with Concentric Electrodes and Dual Inverted Mesa Structure for Multiple Gas Detection // Dissertation. Electronic Theses and Dissertations. 2019. 143 р.
  6. Sauerbrey G.H. Verwendung von Schwingquarzen zur Wäigung dünner Schichten und zur Mikrowägung // Zeitschrift fiir Physik. 1959. № 155. Р. 206-222

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом