Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế cảm biến vi lưu dựa trên cấu trúc SAW AlN

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet microfluidic sensor based on aln vertical saw structure investigation design and simulation, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

2013

62
1
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

1. CHƯƠNG 1: ntroduction

1.1. Motivation and Objectives

1.2. Organization of Thesis

2. CHƯƠNG 2: heoretical nalysis of the l -based Microfluidic Sensor

2.1. Introduction

2.2. Surface Acoustic Waves

2.2.1. Shear Horizontal Surface Acoustic Waves (SH-SAWs)

2.2.2. Rayleigh Surface Acoustic Waves (R-SAWs)

2.3. Propagation of Acoustic Waves in contact with a Liquid Medium

2.4. Standing and Linear Motion Medium

2.5. Moving Liquid Medium

2.6. Equivalent Circuit Model of SAW Devices

3. CHƯƠNG 3: 3-D Design of AlN-based Microfluidic Sensor

3.1. FEM Simulation for AlN-based Microfluidic Sensor

4. CHƯƠNG 4: Results and Discussion

4.1. Density and viscosity

4.1.1. Lithium Niobate Crystal

4.1.2. Aluminium Nitride Crystal

4.1.3. Sensing Liquid Status

4.2. Non-constant Velocity

5. CHƯƠNG 5: Conclusions and Future Work

Appendix: Material Parameters for Piezoelectric Substrate

Tóm tắt

I. Tổng quan về cảm biến vi lưu dựa trên cấu trúc SAW AlN

Cảm biến vi lưu dựa trên cấu trúc SAW AlN đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cảm biến. Công nghệ này sử dụng sóng âm bề mặt (SAW) để phát hiện các thông số vật lý và hóa học của chất lỏng. Với khả năng nhạy bén và độ chính xác cao, cảm biến vi lưu này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp. Việc nghiên cứu và thiết kế cảm biến này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

1.1. Cảm biến vi lưu là gì và ứng dụng của nó

Cảm biến vi lưu là thiết bị có khả năng phát hiện và đo lường các thông số của chất lỏng ở quy mô vi mô. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong y tế để theo dõi các chỉ số sinh học, trong công nghiệp để kiểm soát chất lượng sản phẩm và trong môi trường để giám sát ô nhiễm.

1.2. Tại sao chọn cấu trúc SAW AlN cho cảm biến

Cấu trúc SAW AlN được lựa chọn vì tính năng vượt trội của nó trong việc phát hiện sóng âm bề mặt. AlN có độ nhạy cao và khả năng hoạt động ở tần số lớn, giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của cảm biến.

II. Thách thức trong nghiên cứu cảm biến vi lưu SAW AlN

Mặc dù cảm biến vi lưu SAW AlN có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các vấn đề như độ ổn định của cảm biến, khả năng tương thích với các chất lỏng khác nhau và độ chính xác trong việc đo lường là những yếu tố cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa thiết kế và vật liệu là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất của cảm biến.

2.1. Độ ổn định của cảm biến trong môi trường thực tế

Độ ổn định của cảm biến là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả đo. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm có thể tác động đến hiệu suất của cảm biến, do đó cần có các biện pháp để đảm bảo độ ổn định trong các điều kiện khác nhau.

2.2. Khả năng tương thích với các chất lỏng khác nhau

Cảm biến cần phải có khả năng hoạt động hiệu quả với nhiều loại chất lỏng khác nhau, từ nước đến các dung dịch hóa học phức tạp. Việc nghiên cứu tính tương thích của vật liệu cảm biến với các chất lỏng này là rất cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong các ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp thiết kế cảm biến vi lưu SAW AlN hiệu quả

Để thiết kế một cảm biến vi lưu SAW AlN hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và mô phỏng hiện đại. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc cảm biến là một trong những cách tiếp cận hiệu quả. Điều này giúp xác định các thông số thiết kế tối ưu và cải thiện hiệu suất của cảm biến.

3.1. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM

Phương pháp FEM cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính của sóng âm bề mặt trong cấu trúc cảm biến. Bằng cách này, các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa thiết kế để đạt được độ nhạy và độ chính xác cao nhất.

3.2. Tối ưu hóa cấu trúc cảm biến

Tối ưu hóa cấu trúc cảm biến bao gồm việc điều chỉnh các thông số như kích thước, hình dạng và vật liệu. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến vi lưu SAW AlN

Cảm biến vi lưu SAW AlN có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Từ y tế đến công nghiệp, cảm biến này giúp theo dõi và đo lường các thông số quan trọng một cách chính xác và nhanh chóng. Các ứng dụng bao gồm cảm biến sinh học, cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ, mang lại giá trị cao cho người sử dụng.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Trong y tế, cảm biến vi lưu SAW AlN được sử dụng để theo dõi các chỉ số sinh học như nồng độ glucose trong máu, giúp cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến này cũng được ứng dụng trong công nghiệp để kiểm soát chất lượng sản phẩm, giám sát quy trình sản xuất và phát hiện các vấn đề trong hệ thống.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến vi lưu SAW AlN

Cảm biến vi lưu SAW AlN đang mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cảm biến. Với những tiến bộ trong thiết kế và vật liệu, cảm biến này hứa hẹn sẽ trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Tương lai của cảm biến vi lưu này sẽ phụ thuộc vào việc giải quyết các thách thức hiện tại và phát triển các công nghệ mới.

5.1. Tương lai của công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các vật liệu mới và các phương pháp thiết kế tiên tiến. Điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và mở rộng khả năng ứng dụng của cảm biến vi lưu SAW AlN.

5.2. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực cảm biến

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực cảm biến sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế, nâng cao độ nhạy và độ chính xác, cũng như phát triển các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

22/07/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI UNIVERSIRY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY ---------- BUI THU HANG MICROFLUIDIC SENSOR BASED ON ALN VERTICAL SAW STRUCTURE: INVESTIGATION, DESIGN AND SIMULATION MASTER THESIS in ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY Hanoi – 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ---------- BÙ Ằ Ê Ứ , Ế KẾ V M P Ỏ B ẢM B Ế V LỎ Ó Ấ Ú S W Ứ Ê VẬ L l L Ậ VĂ SĨ Ử-V Ễ à ội – 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation TABLE OF CONTENT GLOSSARY. 4 LISTS OF TABLES. 5 LISTS OF FIGURES .1 Motivation and Objectives.2 Organization of Thesis. 9 Chapter 2 Theoretical Analysis of the AlN-based Microfluidic Sensor .2 Surface Acoustic Waves .1 Shear Horizontal Surface Acoustic Waves (SH-SAWs) .2 Rayleigh Surface Acoustic Waves (R-SAWs) .3 Propagation of Acoustic Waves in contact with a Liquid Medium .2 Standing and Linear Motion Medium.3 Moving Liquid Medium.4 Equivalent Circuit Model of SAW Devices.

23 Chapter 3 3-D Design of AlN-based Microfluidic Sensor .3 FEM Simulation for AlN-based Microfluidic Sensor. 33 Bui Thu Hang Page 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation 3. 35 Chapter 4 Results and Discussion .2 Density and viscosity .1 Lithium Niobate Crystal .2 Aluminium Nitride Crystal .3 Sensing Liquid Status .2 Non-constant Velocity. 53 Chapter 5 Conclusions and Future Work.

56 Appendix: Material Parameters for Piezoelectric Substrate. 59 Bui Thu Hang Page 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation LOSS Y IDT InterDigital Transducer SAW Surface Acoustic Wave R-SAW Rayleigh Surface Acoustic Wave SH-SAW Shear-Horizontal Surface Acoustic Wave LiNbO3 Lithium Niobate Mo Molybdenum Al Aluminium AlN Aluminium Nitride Si Silicon SOI Silicon On Insulator Bui Thu Hang Page 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation KOW LED EME S I would like to sincerely thank my advisor, Assoc. Chu Duc Trinh for their encouragement, guidance, and invaluable supports throughout the course of this study. He guided me in studying microfluidics and always gave me meaningful and profound explanations.

I would like to gratefully acknowledge Dr. Tran Duc Tan and Assoc. Rusu Vasile Catelin for useful suggestions in my dissertation. Their guidance enabled me to complete my thesis work.

I am also highly thankful to all teachers at Dept. of Electronics and Telecommunications for supports and encouragement. Many thanks to staff in department for their helps of thesis defence procedures. Finally, it is my profound gratitude to my family, especially my mom, my cousin Phan Quoc Vi for their moral supports and encouragement in my life.

Bui Thu Hang Page 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation L S S OF BLES Table 3.1: Physical properties of the chosen liquids.2: Parameters of SAW device based on Aluminium Nitride Crystal.3: Design parameters of AlN-based SAW device.4: The design parameters for AlN-based microfluidic sensor with single channel.5: The design parameters for AlN-based microfluidic sensor with multi- channel .36 Bui Thu Hang Page 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation L S S OF F ES Figure 1.1: The flow chart for the development process of an AlN-based Microfluidic Sensor prototype.1: Acoustic wave propagation direction in a Cartesian coordinate system.2: (a) The typical SH-SAW structure.3: (a) Schematic of the particle motion for a Rayleigh wave. (b) Ultrasonic radiation into water by SAW when sensing channel placed on substrate.4: (a) The simple SAW structure for sensing liquid. (b) Ultrasonic radiation into water when sensing channel is placed along the vertical axis of device.5: Principle construction of multilayer SAW sensor.6: Geometry of the problem for analysing propagation of Rayleigh waves.7: Mason equivalent circuit model.1: Schematic drawing of the integrated inkjet system.2: Top and cross-view of one-channel microfluidic sensor.3: Top and cross-view of two-channel microfluidic sensor.4: Top and cross-view of one-input two-channel microfluidic sensor.5: Top and cross-view of multi-output microfluidic sensor.6: Schematic illustration of two-channel R-SAW sensor and liquid well position.7: Design parameters of Channel 1 and well size .8: Meshed image of 3D SAW model with the well in the middle of the wave propagation path .9: General view for all devices in one die.1: Total displacement of corresponding points in Channel 1 and Channel 2 with different well diameters .39 Bui Thu Hang Page 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Figure 4.2: Total displacement of the well behind points with three liquid types.3: Output voltage of Group 1 from the 3-D SAW model with and without deposited well from 0 to 130 nsec.4: Output voltage of Group 2 from the 3-D SAW model with and without deposited well from 0 to 130 nsec.5: (a) Total displacement envelops of points placed behind the well.6: Electrical attenuation response (shown as insertion loss) for the SAW device.7: The time delay of system with the well having liquid density =1, 3, 6, and 12 g/cm3.8: Potential amplitude at center frequency on the IDT receiver for linear group.9: Ratio coefficient of displacement amplitudes before and after the well for linear group.10: (a) Delay time and (b) Velocity decay coefficient when liquid moves linearly.11: Attenuation corresponding to linear motion function.12: Effect of SAWs on linear fluid flow.13: Potential amplitude at center frequency on the IDT receiver for exponential motion group.14: Ratio coefficient of displacement amplitudes before and after the well for exponential motion group.15: Velocity decay for exponential motion group.16: Delay time when liquid moves nonlinearly.17: Attenuation corresponding to exponential motion function.18: Effect of SAWs on exponential fluid flow.52 Bui Thu Hang Page 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Chapter 1 ntroduction 1.1 Motivation and Objectives In recent years, microfluidic technology received a lot of attention because its widespread applications in printing, biomedicine. Device integration and miniaturization based on microfluidic technology has been growing up quickly.

In addition, expected devices may have advantages such as: small size, facile usage and low cost, fast detection speed, high accuracy, less consumption power and high integration capability. One of the present microfluidic technologies utilizes surface acoustic wave (SAW) [1][2]. It is well-known owing to applications such as actuators, antennas and driven droplet manipulation using SAW atomization and jetting technique [3][4][5]. SAW devices are also widely utilized in sensors [6].

Such devices convert electrical energy into mechanical energy and vice versa. Specifically, when the transformation from electrical to mechanical energy occurs at the InterDigital Transducder (IDT) transmitter, acoustic waves travel through the surface. SAW waves include Rayleigh waves, and sliding shear waves. The amplitude of the Rayleigh-SAWs of around 10Å is very small and exponentially declines.

Because wave penetration into the substrate is inversely proportional to frequency, in order to limit reflections and refractions at the bottom, the material size is large enough. This mechanical vibration on the surface continues until opposite transform process at the IDT receiver. Waves that do not retransform electrical energy at the receiver are absorbed by wax, polyimide placed before and after the input and output IDT. Sensing mechanism is electrical perturbation on the IDT receiver due to obstacles on the propagation path or even if R-SAWs travel through the different media [7].

Prominent advantages of SAW devices are micro derivation size for fluid, high sensitivity and fabrication ability on compatible material. The structure trend is vertical sensing channel. This suggests the requirement of the vertical SAW sensor. Bui Thu Hang Page 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Moreover, the acoustic wave propagation strongly depends on the properties of nanostructure sensing layers which in turn can be altered by the wave vibration itself.

Here, it is able to be piezoelectric thin film on the substrate or piezoelectric crystal such as quartz, Lithium Tantalate (LiTaO3), Lithium Niobate (LiNbO3), especially Aluminium Nitride (AlN) because of high frequency and being compatible with the CMOS technology. Thus, it is necessary to understand both the wave propagation and the nanomaterial properties in order to uncover the sensing mechanism and improve the performance of acoustic sensors. This dissertation focuses: 1. Understanding the components and the propagation characteristics of liquid SAW devices.

Investigating the electrical and mechanical properties of SAW devices on common piezoelectric, LiNO3, and CMOS material, AlN, when there are impacts of fluid such as density, viscosity and motion in the sensing channel. Developing novel SAW sensors for microfluidics. Integration ability in ink sensing applications.2 Organization of Thesis We adopt the development process in Figure 1. It is assumed that the SAW sensor works in an ideal environment.

The theoretical derivation and analysis are performed to qualitatively verify the proposed design. In order to achieve the quantitative analysis, the finite element method (FEM) will be studied and implemented with the software Comsol Multiphysics. According to these verification results, it demonstrates the fabrication capacity of the AlN-based microfluidic sensor in the future. Bui Thu Hang Page 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Figure 1.1: The flow chart for the development process of an AlN-based Microfluidic Sensor prototype.

The dissertation is organized as following: Chapter two describes the acoustic waves in the piezoelectric and liquid medium. It gives electrical properties of SAW devices through the equivalent Mason circuit. Also, the analysis of leaky phenomenon induced by Rayleigh wave interaction with the liquid medium is presented. Chapter three discusses the design and realization of SAW microfluidic sensor using LiNbO3, AlN.

Modelling procedure is conducted by Finite Element Method (FEM). Optimization of sensor parameters in the simulation driving to enhanced amplitude fields and lower propagation loses; thereby increasing device sensitivity is discussed. Besides, several masks in the experiment are described. Bui Thu Hang Page 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Chapter four is the major simulation results for sensing density and status of liquid in the well, the explanations and analyses of obtained results.

Chapter five summarizes the main contributions and provides suggestions for possible future studies. Bui Thu Hang Page 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Chapter 2 heoretical nalysis of the l -based Microfluidic Sensor 2.1 Introduction SAW devices have been studied in chemistry, biomedicine and telecommunication for many decades, especially sensors including automotive (torque and tire pressure sensors), medical applications (biosensors) and industrial, commercial applications (vapour, humidity, temperature and mass sensors) [8]. Measurands on acoustic wave sensor are wave velocity perturbation, changes of confinement dimensions, degree of the traveling wave damping and input-output variation [9]. An important distinction between types can be defined according to the natures of the acoustic wave and vibration modes.

Traveling waves can be bulk acoustic waves (BAWs) propagating on the interior of the substrate and SAWs on the surface. To the SAW sensor, a mechanical wave, generated by piezoelectric crystal using metal electrodes or called interdigital transducers (IDTs), travels along the surface [6][10]. It includes a Rayleigh and a shear mode which propagate through the surface as shown in Figure 2. The Rayleigh mode, called Rayleigh wave, is a combination of longitudinal and shear vertical particle displacement while the shear mode, called Shear Horizontal – Surface Acoustic Wave (SH-SAW), is a shear horizontal wave on the surface [11][12].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ