Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 102 CHƯƠNG 4 - KHẢO SÁT VÀ ĐO ĐẠC VI CÂN THẠCH ANH QCM 4.1 NGUYÊN LÝ PHÉP ĐO LINH KIỆN QCM Để mô tả chính xác hoạt động của sensor QCM chúng tôi dựa vào tính chất cơ và tính chất điện của linh kiện QCM được biểu diễn bằng mô hình mạch điện tương đương Butterworth-Van Dyke (BVD) [15] (Hình 4.1). Mô hình này thường sử dụng để biểu diễn các hiện tượng điện trong hộp cộng hưởng tinh thể gần điểm cộng hưởng. Mô hình dùng để dự đoán độ dịch chuyển tần số và tổn hao năng lượng của tinh thể AT-cut trong các ứng dụng của nó. Hình 4.1 Mô hình mạch điện tương đương Butterworth-Van Dyke (BVD) C o : Điện dung cố định sinh ra từ hai điện cực và dây dẫn của linh kiện QCM. R m : Tương ứng với sự tiêu hao năng lượng dao động (nguyên nhân do độ nhớt dung dịch hoặc sự tăng khối lượng chất hấp phụ trên bề mặt tinh thể). C m : Tương ứng với sự tích trữ năng lượng dao động trong vùng không gian hai bản cực. Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 103 L m : Tương ứng với thành phần quán tính của dao động (liên quan đến sự thay đổi khối lượng trên điện cực). Trong ứng dụng linh kiện QCM, hệ số tự cảm động L m tăng khi khối lượng chất bám vào điện cực tăng lên, do đó làm biến đổi tần số cộng hưởng và linh kiện QCM trở thành một cảm biến nhạy khối lượng ( cỡ 1ng/cm 2 ). Điện trở động R m cũng cho ta biết thông tin về quá trình lắng đọng vật chất trên bề mặt điện cực, khi màng lắng đọng tăng lên sự mất mát năng lượng tăng lên do đó làm tăng điện trở động R m . Hình 4.2 đưa ra mô hình mạch tương đương của linh kiện QCM để xác định độ dẫn nạp (admittance) của linh kiện và sự biến đổi tần số khi đặt tải lên linh kiện QCM tại điểm tần số gần cộng hưởng, trong mô hình có một điện dung cố định C 0 sinh ra từ hai điện cực của QCM. Vì thạch anh là vật liệu áp điện, nên sự liên kết giữa tính điện- cơ đã đóng góp thêm phần tử động (L 1 ,C 1 ,R 1 ,L 2 ,R 2 ,L 3 ) song song với C 0 . Đóng góp của điện dung C 0 vào độ dẫn nạp chiếm ưu thế khi tần số ở xa vùng cộng hưởng, trong khi đó thì sự đóng góp của phần tử động (L 1 ,C 1 ,R 1 ,L 2 ,R 2 ,L 3 ) chiếm ưu thế gần vùng cộng hưởng. Sự thêm vào một điện dung song song C p bao gồm tính toán điện dung ký sinh trong linh kiện. Điện dung ký sinh phụ thuộc vào cấu trúc hình học của vỏ và mô hình điện cực. Hình 4.2 Mạch tương đương của linh kiện QCM Hình (a) QCM khi không tải; Hình (b) khi đặt tải là không khí, chất lỏng, khối lượng a) b) Không khí khô Tải chất lỏng Tải khối lượng Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 104 Các đại lượng C 0 , R 1 , L 1 , C 1, R 2 , L 2 , L 3 được tính theo công thức từ (2.25) đến (2.31). Quá trình đo cảm biến QCM chúng ta sẽ xác định được: R m = R 1 + R 2 Trường hợp đo không tải: R m = 2 1 0 66 1 . q R c C           Đo R m = R 2 , sẽ xác định được độ nhớt  của dung dịch theo (2.63) Từ mô hình mạch điện tương đương, ta có thể tính được điện trở phức tương đương của tinh thể thạch anh theo phương trình:                                01 11 01 11 11 11 CC LjR CjC LjR Z     Trong trường hợp cộng hưởng song song          0 * 1 1 1 11 C L C L p p p p     , điện trở phức của tinh thể thạch anh trở thành:            0 2 01 11 C j CR Z p p p   Khi đó, tần số cộng hưởng song song là:   101 10 2 1 CCL CC f p    Từ phương trình (4.4) ta có thể suy ra góc pha: (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) (4.5) Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 105 tan     01 Re Im CR Z Z pp   Trong trường hợp cộng hưởng nối tiếp          1 1 1 C L s s   , điện trở phức của tinh thể thạch anh trở thành:     2 01 011 0 1 0 1 1 1 1 1 CR CRjR Cj R Cj R Z s s s s s          Khi đó, tần số cộng hưởng nối tiếp là: 11 2 1 CL f s   và góc pha là: tan     01 Re Im CR Z Z ss   Vì tần số cộng hưởng nối tiếp và song song xấp xỉ bằng nhau, ta có thể coi như:   1 0 tan s p arc R C         Ta có: 0 1 1 C C ff sp           11 0 1 C C ffff ssp (4.6) (4.7) (4.8) (4.9) (4.9) (4.10) (4.11) (4.12) Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 106 Phương trình trên cho thấy, nếu tỉ số 0 1 C C giảm thì tần số cộng hưởng song song sẽ tiến đến tần số cộng hưởng nối tiếp. Từ mô hình mạch điện tương đương, ta có thể tính được các thông số như điện trở phức theo tần số tín hiệu vào, tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp và hệ số phẩm chất Q của linh kiện. 4.2 KHẢO SÁT LINH KIỆN QCM ĐƯỢC CHẾ TẠO TẠI ICDREC – SHTP Hình 4.3 là ảnh chụp linh kiện QCM được chế tạo tại phòng thí nghiệm bán dẫn – Khu công nghệ cao do nhóm Chế tạo thuộc trung tâm ICDREC thực hiện. Kết quả chế tạo cho thấy linh kiện QCM có đặc tính đồng đều và đạt yêu cầu về chất lượng: bề mặt không có vết xước, lớp vàng trải đều và định vị đúng theo yêu cầu ban đầu, các điện cực đồng đều và kích thước chính xác đúng như yêu cầu chế tạo. Hình 4.3 Ảnh chụp linh kiện QCM chế tạo tại ICDREC-SHTP Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 107 Linh kiện QCM sau khi chế tạo được khảo sát và đo đạc tính chất điện nhằm đánh giá chất lượng của linh kiện. Trong phần này, chúng tôi thực hiện khảo sát phổ tổng trở và góc pha của linh kiện QCM planar với dải tần quét từ 4 MHz đến 6 MHz. Quá trình khảo sát được thực hiện trên máy 43961 A Network Analyzer (Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh) (Hình 4.4). Hình 4.4. Máy đo 43961 A Network Analyzer. Nhằm khảo sát tính ổn định trong quá trình chế tạo, chúng tôi chọn ngẫu nhiên hai linh kiện QCM bất kì để tiến hành đo tính chất điện trên máy 43961 A Network Analyzer. Kết quả đo được cho trong bảng 4.1. Bảng 4.1. Tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp và hệ số phẩm chất của QCM. Đại lượng Cảm biến QCM thứ nhất Cảm biến QCM thứ hai f s ( MHz) 4,75 4,75 f p ( MHz) 4,7705 4,7605 Hệ số phẩm chất Q 237.5 476.05 Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 108 Phổ tổng trở của hai linh kiện QCM được trình bày ở hình 4.5. Hình 4.5 Phổ tổng trở của hai linh kiện QCM. Kết quả cho thấy tần số cộng hưởng nối tiếp của hai linh kiện bằng nhau f s = 4.75 MHz và tần số cộng hưởng song song lệch nhau 0.01 MHz (trong bảng 4.1). Dựa trên kết quả đo ta thấy các linh kiện QCM được chế tạo tại ICDREC-SHTP có độ đồng nhất cao, tính chất giống nhau. Hệ số phẩm chất Q của tinh thể phụ thuộc vào bản chất của tinh thể thạch anh, cấu trúc, bề dày, chất lượng bốc bay và kích thước điện cực của nó. Kết quả đo đạc cho thấy tần số cộng hưởng của linh kiện mà nhóm processing thuộc trung tâm SHTP chế tạo nhỏ hơn tần số cộng hưởng mô phỏng, điều này có thể lý giải là do cấu trúc và bề A. Linh kiện QCM thứ nhất B. Linh kiện QCM thứ hai Trang HVTH: Trần Thị Minh Thư 109 dày của tinh thể thạch anh. Việc sử dụng cấu trúc hình vuông dẫn đến việc phân bố ứng suất trên bề mặt phiến không đồng đều, ứng suất lớn hơn ở các góc vuông của linh kiện. Bên cạnh đó, bề dày phiến dùng để chế tạo vào khoảng 325.10 -6 m, nhỏ hơn so với bề dày theo lý thuyết. Những yếu tố này là nguyên nhân dẫn đến việc suy giảm tần số cộng hưởng của linh kiện QCM. Toàn bộ đã được làm sáng tỏ hơn ở phần mô phỏng tính chất cơ của QCM bằng phần mềm Ansys trong chương 3. Việc xác định độ dịch góc pha khi QCM hoạt động cũng như đặc tính mối quan hệ góc pha khi có cộng hưởng. Đồ thị mối quan hệ góc pha theo tần số được trình bày ở hình 4.6. Hình 4.6 Phổ góc pha của hai linh kiện QCM. Kết quả cho thấy góc pha chuyển từ giá trị cực đại 83.6 0 về 0 0 tại tần số cộng hưởng f 0 = 4.75 MHz và đạt giá trị cực tiểu tại -83.6 0 . Như vậy tại tần số cộng hưởng thì góc pha bằng 0 0 , điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết và kết quả mô phỏng tính chất điện ở chương 3. . Thư 102 CHƯƠNG 4 - KHẢO SÁT VÀ ĐO ĐẠC VI CÂN THẠCH ANH QCM 4.1 NGUYÊN LÝ PHÉP ĐO LINH KIỆN QCM Để mô tả chính xác hoạt động của sensor QCM chúng tôi dựa vào. tạo được khảo sát và đo đạc tính chất điện nhằm đánh giá chất lượng của linh kiện. Trong phần này, chúng tôi thực hiện khảo sát phổ tổng trở và góc pha