Применение пьезоэлектрического резонатора для восстановления параметров контактирующей жидкости

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследовано влияние проводящих и непроводящих жидкостей на характеристики пьезоэлектрического резонатора с продольным электрическим полем, погруженного в жидкость. Резонатор, работающий на продольной акустической моде с резонансной частотой около 4 МГц, представлял собой диск из лангасита X-среза с круглыми электродами на обеих сторонах. Резонатор закрепляли в основании контейнера, который заполняли исследуемой жидкостью. Затем реальная и мнимая части его электрического импеданса в зависимости от частоты измерялись векторным анализатором цепей. Была построена модернизированная электромеханическая схема такого резонатора, учитывающая влияние проводимости и диэлектрической проницаемости жидкости на изменение эффективной площади электродов. Продемонстрирована возможность определения модуля упругости, коэффициента вязкости исследуемой жидкости и величин дополнительных элементов эквивалентной схемы путем фиттинга рассчитанных частотных зависимостей комплексного электрического импеданса резонатора, погруженного в жидкость, к измеренным зависимостям.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. П. Семёнов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Email: zai-boris@yandex.ru

Саратовский филиал

Россия, 410019, Саратов, ул. Зеленая 38

Б. Д. Зайцев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: zai-boris@yandex.ru

Саратовский филиал

Россия, 410019, Саратов, ул. Зеленая 38

А. А. Теплых

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Email: zai-boris@yandex.ru

Саратовский филиал

Россия, 410019, Саратов, ул. Зеленая 38

И. А. Бородина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Email: zai-boris@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4136-7517

Саратовский филиал

Россия, 410019, Саратов, ул. Зеленая 38

Список литературы

  1. Arlett J.L., Myers E.B., Roukes M.L. Comparative advantages of mechanical biosensors // Nat. Nanotechnol. 2011. V. 6. P. 203–215.
  2. Barlow A.J., Lamb J., Matheson A.J., Padmini P.R.K.L. and Richter J. Viscoelastic Relaxation of Supercooled Liquids // I. Proc. R. Soc. Lond. A. 1967. V. 298. P. 467–480. doi: 10.1098/rspa.1967.0115
  3. Lin Q., Cai F., Li F., Zhao D., Xia X., Zhou W., Meng L., Zheng H. The compact acoustic liquid sensor based on the circumferential modes of a cylindrical shell // Sens. Actuators A. 2020. V. 304. 111843.
  4. Kondoh J., Shiokawa S. SH-SAW taste sensor based on acoustoelectric interaction // Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium 31 October-3 November 1993. USA. MD. Baltimore. P. 421–424.
  5. Kondoh J., Shiokawa S. New application of shear horizontal surface acoustic wave sensors to identifying fruit juices // Jpn. J. Appl. Phys. 1994. V. 33. P. 3095–3099.
  6. Kondoh J., Muramatsu T., Nakanishi T., Shiokawa S. Development of surface acoustic wave liquid sensing system and application for Japanese tea measurements // Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium 7–10 October 2001. USA. GA. Atlanta. P. 497–501.
  7. Tada K., Nozava T., Kondoh J. Real time monitoring of methanol concentration using a shear horizontal surface acoustic wave sensor for direct methanol fuel cell without reference liquid // Jap. J. Appl. Phys. 2016. V. 37. 07JD15.
  8. Kondoh J., Nakayama K., Kuznetsova I. Study of frequency dependence of shear horizontal surface acoustic wave sensor for engine oil measurement // Sens. Actuators A Phys. 2021. V. 325. 112503.
  9. Zaitsev B.D., Joshi S.G., Kuznetsova I.E., Borodina I.A. Acoustic waves in piezoelectric plates bordered with viscous and conductive liquids // Ultrasonics. 2001. V. 39. P. 45–50.
  10. Wu J., Zhu Z. Sensitivity of Lamb wave sensors in liquid sensing // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2002. V. 43. P. 71–72.
  11. Anisimkin I.V., Anisimkin V.I. Attenuation of acoustic normal modes in piezoelectric plates loaded by viscous liquids // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2006. V. 53. P. 1487–1492.
  12. Anisimkin V.I. Sensing properties of the Anisimkin Jr. acoustic modes in uncoated ST-quartz plates // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2013. V. 60. P. 2204–2207.
  13. Voronova N.V., Anisimkin V.I. Three-Parameter Liquid Sensor Based on Surface and Plate Acoustic Waves // Proc. Joint Conf. of the European Frequency and Time Forum and IEEE Int. Frequency Control Symposium 9–13 July 2017. France. Besancon. P. 343–344.
  14. Caliendo C., Hamidullah M. Guided acoustic wave sensors for liquid environments // J. Phys. D Appl. Phys. 2019. V. 52. 153001.
  15. Anisimkin V.I., Voronova N.V. New modification of the acoustic Lamb waves and its application for liquid and ice sensing // Ultrasonics. 2022. V. 116. 106496.
  16. McCann D.F., McCann J.M., Parks J.M., Frankel D.J., Pereira da Cunha M., Vetelino J.F. A lateral-field-excited LiTaO3 high frequency bulk acoustic wave sensor // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2006. V. 56. P. 779–787.
  17. Wark M., Kalanyan B., Ellis L., Fick J., Connel L., Neivandt D., Vetelino J. A lateral field excited acoustic wave sensor for the detection of saxitoxin in water // Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium 28–31 October 2007. USA. NY. New York. P. 1217–1220.
  18. Vetelino J.F. A lateral field excited acoustic wave sensor platform // Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium 11–14 October 2010. USA. GA. San Diego. P. 2269–2272.
  19. French L.A., FitzGerald, M., Vetelino J.F. An Equivalent Circuit Model for a Liquid Loaded Lateral-Field Excited Acoustic Wave Sensor // Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symposium 19 October 2011. USA. FL. Orlando. P. 1194–1199.
  20. Ma T., Wang J., Du J., Yuan L., Qian Z., Zhang Z., Zhang C. Lateral-field-excited bulk acoustic wave sensors on langasite working on different operation modes // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2013. V. 60. P. 864–867.
  21. Zaitsev B.D., Shikhabudinov A.M., Teplykh, A.A., Kuznetsova I.E. Liquid sensor based on a piezoelectric lateral electric field-excited resonator // Ultrasonics. 2015. V. 63. P. 179–183.
  22. Borodina I.A., Zaitsev B.D., Teplykh A.A. Influence of the conductivity of a liquid contacting with a lateral electric field excited resonator based on PZT ceramics on its characteristics // Ultrasonics. 2020. V. 102. 106059.
  23. Zhao Z., Wang B., Qian Z., Kuznetsova I., Ma T., Yong Y.K. Design Considerations for Frequency Shifts in a Laterally Finite FBAR Sensor in Contact With the Newtonian Liquid // IEEE Trans Ultrason, Ferroelectr. and Freq. Cont. 2020. V. 67. P. 2402–2412.
  24. Wang M., Shi H., Ma T., Qian Z., Kuznetsova I., Yuan L., Wang J., Du J., Zhang C. High-frequency vibration analysis of LiTaO3 piezoelectric plates excited by lateral electric fields produced by surface electrodes under viscous liquid loadings for sensing // Smart Mater. Struct. 2020. V. 29. 045004.
  25. Zaitsev B.D., Borodina I.A., Teplykh A.A. Compact liquid analyzer based on a resonator with a lateral excitation electric field // Ultrasonics. 2022. V. 126. 106814.
  26. Kanazava K.K., Gordon J.G. II. The oscillation frequency of a quartz resonator in contact with a liquid // Anal. Chim. Acta. 1985. V. 175. P. 99–105.
  27. Kanazava K.K., Gordon J.G. II. Frequency of a Quartz Microbalance in Contact with Liquid // Anal. Chem. 1985. V. 57. P. 1770–1771.
  28. Nomura T., Watanabe M., West T.S. Behavior of piezoelectric quartz crystals in solutions with the applications to the determination of iodide // Anal. Chim. Acta. 1985. V. 175. P. 107–116.
  29. Josse F., Shana Z.A., Radtke D.E., Haworth D.T. Analysis of piezoelectric bulk acoustic wave resonators as detectors in viscous conductive liquids // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 1990. V. 37. P. 359–368.
  30. Balantine D.S., White R.M., Martin S.J., Ricco A.J., Frye G.C., Zellers E.T., Wohltjen H. Acoustic Wave Sensors: Theory, Design and Physico-Chemical Applications. USA. NY. New-York: John Willey & Sons, 1997.
  31. Semyonov A., Zaitsev B., Teplykh A., Borodina I. Study of the Acoustic Characteristics of Suspensions Based on Glycerol and Synthetic Diamond Microparticles Using a Resonator with a Longitudinal Electric Field // Acoust. Phys. 2023. V. 69. № 6. P. 788–797.
  32. Semyonov A., Zaitsev B., Teplykh A., Borodina I. The effect of the glycerol – Based suspension on the characteristics of resonators excited by a longitudinal electric field // Sensors. 2023. V. 23. P. 608.
  33. Semyonov A.P., Zaitsev B.D., Teplykh A.A., Borodina I.A. Determination of Electrical and Mechanical Properties of Liquids Using a Resonator with a Longitudinal Electric Field // Sensors. 2024. V. 24. P. 793. https://doi.org/10.3390/s24030793.
  34. Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Совершенствование методов исследования электрофизических и вязкостных свойств жидкостей // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 1. С. 56–62.
  35. Зайцев Б.Д., Бородина И.А., Теплых А.А., Семёнов А.П. Определение скорости и затухания акустической волны в жидкостях с различным акустическим импедансом с помощью акустического интерферометра // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 4. С. 438–445.
  36. Кольцова И.С., Хомутова А.С. Акустоэлектронный метод измерения скорости ультразвуковых волн в жидкостях // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 3. С. 317–321.
  37. Семёнов А.П., Зайцев Б.Д., Теплых А.А., Бородина И.А. Исследование акустических характеристик суспензий на основе глицерина и микрочастиц синтетического алмаза с помощью резонатора с продольным электрическим полем // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 6. С. 702–712.
  38. Минаков А.В., Пряжников М.И., Дамдинов Б.Б., Немцев И.В. Исследование объемной вязкости наносуспензий методом акустической спектроскопии // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 2. С. 182–189.
  39. Бородина И.А., Зайцев Б.Д., Алсовэйди А.К.М., Караваева О.А., Гулий О.И. Биологический датчик на основе акустической щелевой моды с использованием микробных клеток для определения ампициллина // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 583–588.
  40. Royer D., Dieulesaint E. Elastic Waves in Solids II. Generation, Acousto-Optic Interaction, Applications. USA. NY. New York. Germany. Berlin/Heidelberg: Springer, 1999. ISBN1439–2674
  41. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Shikhabudinov A.M. Elastic and viscosity properties of Nanocomposite Films Based on Low-Density Polyethylene // Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2010. V. 57. № 9. 2099.
  42. Kuznetsova I., Zaitsev B., Krasnopolskaya L., Teplykh A., Semyonov A., Avtonomova A., Ziangirova M., Smirnov A., Kolesov V. Influence of humidity on the acoustic properties of mushroom mycelium films used as sensitive layers for acoustic humidity sensors // Sensors. 2020. V. 20. № 9. 2711.
  43. Ганапольский В.В., Касаткин Б.А., Легуша Ф.Ф., Прудько Н.И., Пугачев С.И. Керамические преобразователи. Справочник. Л.: Судостроение, 1984. 256 с.
  44. Chilla E., Flannery C.M., Frohlich H.-J. and Straube U. Elastic properties of langasite-type crystals determined by bulk and surface acoustic waves // J. Appl. Phys. 2001. V. 90. № 12. 6084.
  45. Григорьев И.С., Мейлихов Е.3. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Жидкостный контейнер с закрепленным в основание резонатором.

Скачать (124KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Частотные зависимости (а) – реальной и (б) – мнимой частей электрического импеданса резонатора из лангасита X-среза без нагрузки (синий – эксперимент, розовый – теория).

Скачать (115KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Эквивалентная схема резонатора с продольным электрическим полем, погруженного в жидкость с учетом краевой добавочной емкости Ca и добавочного сопротивления Ra.

Скачать (154KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эквивалентная схема погруженного в жидкость резонатора с учетом дополнительной емкости Ca и дополнительного сопротивления Ra, которые связаны с присутствием жидкости, а также добавочной емкости C0l, связанной с увеличением эффективной площади электродов.

Скачать (153KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Частотные зависимости (а, в, д) – реальной и (б, г, е) – мнимой частей электрического импеданса резонатора из лангасита, погруженного (а, б) – в воду, (в, г) – в керосин ТС-1 и (д, е) – в ацетон (синий цвет – эксперимент, оранжевый цвет – теория)

Скачать (373KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости резонансной частоты (а) – параллельного и (б) – последовательного резонансов, (в) – максимальных значений реальной части электрического импеданса и (г) – адмиттанса резонатора из лангасита, погруженного в жидкость, от проводимости жидкости (1 – вода, 2 – смесь вода-глицерин β=44%, 3 – смесь вода-глицерин β=65%, 4 – смесь вода–глицерин β=75%).

Скачать (242KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Частотные зависимости (а, в) – реальной и (б, г) – мнимой частей электрического импеданса резонатора из лангасита, погруженного (а, б) – в воду с проводимостью 27 мкСм/см, (в, г) – в смесь вода-глицерин β=75% с проводимостью 123 мкСм/см (синий цвет – эксперимент, красный цвет – теория).

Скачать (247KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость добавочной емкости Ca от экспериментально полученного значения εl для непроводящих жидкостей, представленных в табл. 3.

Скачать (48KB)
Метаданные
10. Рис. 9. (а) – Зависимости добавочной емкости Ca от проводимости жидкостей: 1 – вода, 2 – смесь вода-глицерин β=44%, 3 – смесь вода-глицерин β=65%, 4 – смесь вода-глицерин β=75%. (б) – Зависимость арифметически средних по проводимости значений для каждой смеси добавочной емкости от экспериментально полученного значения εl.

Скачать (111KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимости добавочного сопротивления Ra от проводимости жидкостей: 1 – вода, 2 – смесь вода-глицерин β=44%, 3 – смесь вода-глицерин β=65%, 4 – смесь вода-глицерин β=75%.

Скачать (63KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024