ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕНСОРОВ ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫХ МИКРОВЕСОВ

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

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