Mô phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10 MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng của lưu chất theo phương pháp trường cặp đôi

Bài báo này trình bày việc mô phỏng hoạt động linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM với tần số cộng hưởng 10 MHz khi hoạt động trong môi trường lưu chất (máu, nước, dung dịch có độ nhớt cao…). Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10 MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng của lưu chất theo phương pháp trường cặp đôiTAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ T5- 2016Mô phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng củalưu chất theo phương pháp trường cặp đôiDương Tấn PhướcNguyễn Đăng GiangTrương Hữu LýLê Trầm Ngọc DũngTrung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch ICDREC, ĐHQG-HCMVũ Lê Thành LongTrương Văn PhátNgô Võ Kế ThànhTrung tâm Nghiên cứu Triển khai, Khu Công nghệ cao TP.HCM(Bài nhận ngày 02 tháng 01 năm 2016, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016)TÓM TẮTBài báo này trình bày việc mô phỏng hoạttrường cặp đôi lưu chất-cấu trúc, hai phươngđộng linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM vớipháp mô phỏng phần tử hữu hạn và động lực họctần số cộng hưởng 10 MHz khi hoạt động tronglưu chất sử dụng phần mềm Ansys Mechanical vàmôi trường lưu chất (máu, nước, dung dịch có độANSYS Fluent đã được thực hiện nhằm xác địnhnhớt cao …). Do linh kiện QCM hoạt động trêncác tín hiệu đầu ra. Phương pháp định lượngchất nền là tinh thể áp điện nên việc mô phỏngchất tải trên bề mặt linh kiện cũng đã bước đầuphải sử dụng phần tử có hỗ trợ thuộc tính áp điệnđược xây dựng nhằm tạo đường chuẩn làm cơ sở(SOLID 226). Việc xác định ứng xử của linh kiệnhướng đến ứng dụng trong cảm biến sinh học vàtrong lưu chất là rất quan trọng khi hướng đếnhóa học.các ứng dụng thực tế. Dựa trên phương phápTừ khóa: linh kiện vi cân tinh thể thạch anh, QCM, FSI, Ansys Fluent, Ansys Mechanical, CFDGIỚI THIỆUNgày nay, các linh kiện vi cơ điện tử đangđược nhiều sự quan tâm nhờ ưu điểm nhỏ gọn, độchính xác và độ nhạy cao, khả năng ứng dụngrộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như tự động, ytế và truyền thông. Các linh kiện vi cơ điện tử cóthể chuyển đổi và truyền tải tín hiệu, cũng nhưkhả năng cảm nhận được môi trường xung quanhdựa trên sự thay đổi các tính chất vật lý khácnhau. Một trong số đó là hiệu ứng áp điện khichất nền của linh kiện có khả năng chuyển đổinăng lượng điện thành dao động cơ học và ngượclại. Các linh kiện áp điện được phân loại dựa trênkiểu dao động cơ học của phần tử chất nền, điểnhình là vi cân tinh thể thạch anh QCM (QuartzCrystal Microbalance) với dạng dao động sóngtrượt theo chiều dày (Thickness shear mode).Việc quan sát các phân bố ứng suất, sự suy haonăng lượng hay ứng xử bề mặt của linh kiệnQCM trong điều kiện hoạt động dựa trên thực tếlà các yếu tố cần thiết trong việc chế tạo vàhướng đến ứng dụng loại linh kiện này trong cảmbiến sinh học. Mô phỏng luôn là một quá trìnhcần thiết để giảm thiểu thời gian và chi phí thựchiện trước khi chế tạo linh kiện.Hiện tại, đã có nhiều nghiên cứu về việc môphỏng hoạt động của linh kiện QCM, tuy nhiên,Trang 207Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016việc khảo sát ảnh hưởng trực tiếp của lưu chấtđến hoạt động của linh kiện QCM là khôngnhiều, có thể kể đến một số nghiên cứu tiêu biểunhư công trình ―Design and simulation of flowcell chamber for quartz crystal microbalancesensor array‖ của tác giả Jaruwongrungsee, K ,hoặc ―Simulation of sample transport‖ của tác giảMats Jönsson, các nghiên cứu này đã có xem xétđến đáp ứng của lưu chất xung quanh và trên bềmặt linh kiện, tuy nhiên vẫn chưa xem xét đếnhiện tượng tiêu tán năng lượng gây ra tần số giảmchấn cho linh kiện.Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đã tiếnhành mô phỏng hoạt động của linh kiện QCMtrong môi trường lưu chất. Quy trình mô phỏngđược xây dựng theo phương pháp trường cặp đôi(Fluid Structure Interaction). Đây là phương pháptính toán kết hợp giữa phương pháp phần tử hữuhạn và động lực học lưu chất. Phương pháp nàycho phép tính toán được quá trình tương tác giữalinh kiện với lưu chất ngoài thông qua các biêntrường cặp đôi. Phương pháp định lượng chất tảitrên bề mặt linh kiện cũng đã bước đầu được xâydựng nhằm hướng đến ứng dụng trong cảm biếnsinh học và hóa học.hoạt động có tương tác với miền lưu chất xungquanh ở nhiệt độ ổn định. Đây là trạng thái tươngtác qua lại hai chiều (two ways).Với cấu trúc đã có được ứng với từng vùngtần số hoạt động, nhóm tiếp tục sử dụng phươngpháp phân tích tương tác giữa cấu trúc và lưuchất, tuy nhiên, trong giai đoạn này, lưu chất sẽ làdung dịch lỏng và có các tác nhân hóa học bámvào bề mặt điện cực. Quá trình này nhằm cungcấp cái nhìn trực quan về đáp ứng của linh kiệnQCM khi hoạt động trong môi trường lỏng vớivai trò là cảm biến sinh học, từ đây có thể lập racơ sở dữ liệu nhằm đối chiếu kết quả đo đạc saunày. Quá trình phân tích các đáp ứng của tinh thểkhi có điện áp được thiết lập với đầu vào là điệpáp kích 5 V trong khoảng thời gian 0,39964 μs.Sau đó tiến hành cất tải (bỏ điện áp kích) và phântích đáp ứng đầu ra. Tương ứng với thời gian lấymẫu là 0,0004 μs. Hình 1 trình bày quy luật giatải điện áp kích thích vào linh kiện QCM 10MHz.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁPVật liệuĐể khảo sát ảnh hưởng của lưu ...