壓電式尖端耦合雙懸臂梁微系統(tǒng)直接測(cè)量液體粘度

在固定的溫度和壓力下，流體的質(zhì)量密度和粘度具有唯一值。利用這些特性準(zhǔn)確表征液體在醫(yī)療保健、加工工業(yè)和液體（潤(rùn)滑劑）健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域非常重要。壓電MEMS諧振器憑借其在流體環(huán)境中能夠以合適的品質(zhì)因數(shù)（Q）工作成為流體特性測(cè)量的熱門器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，印度科學(xué)學(xué)院（Indian Institute of Science）納米科學(xué)與工程中心與美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）生物醫(yī)學(xué)工程系的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊發(fā)表了以“A tip-coupled, two-cantilever, non-resonant microsystem for direct measurement of liquid viscosity”為主題的論文。該論文第一作者為Sudhanshu Tiwari，通訊作者為Sudhanshu Tiwari和Rudra Pratap。

在這項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)道了一種獨(dú)特的尖端耦合雙懸臂梁（TCTC）傳感系統(tǒng)，任何流體的運(yùn)動(dòng)粘度都可以從該器件的輸出參數(shù)（速度/位移）直接獲得。這種測(cè)量技術(shù)提供了快速且直接的粘度測(cè)量。在該尖端耦合結(jié)構(gòu)中，利用兩根懸臂梁可避免測(cè)量Q因數(shù)和估計(jì)粘度時(shí)的相關(guān)復(fù)雜性。

新型TCTC粘度傳感器的設(shè)計(jì)模仿了傳統(tǒng)流變儀/粘度計(jì)，其測(cè)試流體受到固定物體與旋轉(zhuǎn)物體間的剪切力的影響。在傳統(tǒng)粘度計(jì)中，將施加扭矩與運(yùn)動(dòng)物體速度之間的關(guān)系作為表征液體粘度的度量。而本研究中的傳感器設(shè)計(jì)由兩根微懸臂梁構(gòu)成，集成了壓電鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜的懸臂梁將作為有源元件。圖1a為TCTC粘度傳感器的設(shè)計(jì)示意圖，圖1b-圖1d為所制備的TCTC結(jié)構(gòu)在不同放大倍率下的俯視圖。

圖1 由尖端耦合雙微懸臂梁構(gòu)成的粘度測(cè)量系統(tǒng)

懸臂梁是在25 μm厚的絕緣體上硅（SOI）晶圓上制備的。兩根懸臂梁寬度均為200 μm，有源懸臂梁長(zhǎng)900 μm，無(wú)源懸臂梁長(zhǎng)800 μm，兩懸臂梁自由端相互對(duì)準(zhǔn)，其中的間距為20 μm。當(dāng)TCTC結(jié)構(gòu)被置于流體中時(shí)，流體填充了懸臂梁之間的空間，并充當(dāng)偶聯(lián)劑。在這種情況下，流體受到兩懸臂梁的自由端之間剪切力的影響。當(dāng)將交變電場(chǎng)施加在有源懸臂梁上的壓電薄膜上時(shí)，該懸臂梁開(kāi)始以所施加電壓的頻率振動(dòng)。這使得周圍的流體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)無(wú)源懸臂梁施加了時(shí)變力，使其也產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)。由于無(wú)源懸臂梁是通過(guò)流體介質(zhì)與有源懸臂梁耦合的，因此無(wú)源懸臂梁的振幅取決于流體性質(zhì)和有源懸臂梁的振幅。值得注意的是，流體也受兩懸臂梁之間剪切力的影響，因此流體粘度的影響主導(dǎo)了無(wú)源懸臂梁的響應(yīng)。

研究人員采用激光多普勒測(cè)振儀（LDV）Polytec MSA-400來(lái)測(cè)量該TCTC粘度傳感器中懸臂梁的振動(dòng)響應(yīng)。有源懸臂梁是通過(guò)在PZT薄膜的頂部和底部電極施加0.75 V的單極電勢(shì)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，樣本被放入裝有液體（測(cè)試流體）的培養(yǎng)皿中。懸臂梁的響應(yīng)是通過(guò)將不同波長(zhǎng)的測(cè)量的激光束依次放置在懸臂梁尖端來(lái)測(cè)量的，結(jié)果如圖2c所示。測(cè)量裝置示意圖如圖2a所示。另外，通過(guò)掃描整個(gè)懸臂梁系統(tǒng)，研究人員還測(cè)量了懸臂梁的撓度分布，如圖2b所示。接著，文中對(duì)不同濃度的甘油-水（G-W）溶液重復(fù)進(jìn)行流體測(cè)量，得到液體粘度對(duì)振幅比的影響結(jié)果，如圖3所示。

圖2 有源懸臂梁和無(wú)源懸臂梁頻率響應(yīng)的測(cè)量方法及結(jié)果

圖3 液體粘度對(duì)振幅比的影響

由于粘度測(cè)量只需在單一驅(qū)動(dòng)頻率下進(jìn)行，所以討論驅(qū)動(dòng)頻率選擇的關(guān)鍵因素非常重要。驅(qū)動(dòng)頻率選擇的兩個(gè)最重要因素是：靈敏度、由振動(dòng)有源懸臂梁所產(chǎn)生的剪切波的穿透深度。TCTC粘度傳感器的靈敏度測(cè)量結(jié)果如圖4所示。此外，研究人員對(duì)該TCTC粘度傳感器的測(cè)量范圍及校準(zhǔn)誤差進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果如圖5所示。

圖4 TCTC粘度測(cè)量系統(tǒng)的建模與靈敏度分析

圖5 TCTC粘度測(cè)量系統(tǒng)的目標(biāo)粘度范圍及校準(zhǔn)誤差

綜上所述，本研究中的TCTC粘度傳感器設(shè)計(jì)采用了一種新型雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，利用懸臂梁尖端之間的流體耦合來(lái)進(jìn)行粘度傳感。憑借其直接、更快、更靈敏的測(cè)量特點(diǎn)，這種獨(dú)特方法是對(duì)目前MEMS粘度傳感器的重大改進(jìn)。無(wú)源懸臂梁的相對(duì)響應(yīng)遵循冪定律，aηb取決于流體的運(yùn)動(dòng)粘度。

這種特性允許該傳感器僅使用兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可校準(zhǔn)，而非當(dāng)前MEMS粘度傳感器中需要四點(diǎn)或更多數(shù)據(jù)點(diǎn)的校準(zhǔn)。TCTC粘度傳感器的另一顯著優(yōu)勢(shì)是能夠在不同工作頻率下測(cè)量液體的粘度，從而實(shí)現(xiàn)剪切速率的測(cè)量。雖然本研究中使用的測(cè)試流體為牛頓流體，但該TCTC粘度傳感器可在不同頻率下測(cè)量粘度的能力也得到了說(shuō)明。這些初步研究結(jié)果有望促進(jìn)TCTC粘度測(cè)定方法在MEMS領(lǐng)域的探索和應(yīng)用。

在本論文中，研究人員還闡述了兩懸臂梁之間的能量耦合機(jī)制。除了流體的剪切流動(dòng)外，懸臂梁之間的能量傳遞也可能源于結(jié)構(gòu)耦合和聲波流動(dòng)。最后，該研究通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與包含三種耦合機(jī)制的公式相擬合，驗(yàn)證了這一假設(shè)。

審核編輯：劉清