Entwurf und Modellierung eines mikroakustischen Sensors zur Analytik in Flüssigkeit : = Design and modeling of a microacoustic sensor for the use in fluids

Hochschulschrift

Zusammenfassung: Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung und Modellierung eines akustischen Sensors zum Nachweis von chemischen oder biologischen Substanzen in Flüssigkeit. Das Prinzip solcher akustischen Sensoren beruht auf der direkten Bindung eines Analyts an eine sensitive Schicht, die auf der schwingenden Sensoroberfläche aufgebracht ist. Für dieses direkte Nachweisverfahren sind im Prinzip keine weiteren Laborapparate notwendig und es ist deshalb besonders gut für preisgünstige und tragbare Schnelltests geeignet. Allerdings ist der Anwendungsbereich vorhandener Sensoren bei nicht standardisierten Flüssigkeiten eingeschränkt, weil die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit in das Analyseergebnis eingehen.In dieser Arbeit wird ein mikroakustischer Sensor vorgeschlagen, der besser zur Analytik von nicht standardisierten Flüssigkeiten geeignet sein könnte.Der mit dieser Arbeit erstmals vorgeschlagene mikroakustische Sensor baut auf den piezoelektrischen Membranbiegeschwingern auf, die 1987 von White [WWa87] erstmals beschrieben wurden und seither in nahezu unverändertem Aufbau genutzt werden. Dieser Sensortyp ist wegen seiner besonderen Welleneigenschaften sehr gut zur Multiparametersensorik, also der simultanen Detektion unterschiedlicher Stoffeigenschaften, geeignet.Durch ein neuartiges Design des Sensors sollen wesentliche Nachteile des Aufbaus üblicher Sensoren behoben werden. Im hier beschriebenen Aufbau sind die Elektroden nicht auf der Membran aufgebracht, sondern in der Membran vergraben. Dadurch wird die elektromechanische Kopplung verbessert und der Wandler gleichzeitig elektrisch abgeschirmt. Wegen der vollständigen Abschirmung sind beide Seiten der Membran sensorisch nutzbar und der Sensor kann vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht werden. Die theoretischen Vorteile dieser Konstruktion sind die erhöhte Sensitivität und elektromechanische Kopplung, das reduzierte elektrische Übersprechen und die Minimierung von Störungen aufgrund von Druckschwankungen über der Membran. Somit ist aufgrund des verbesserten Signal zu Rausch Verhältnisses eine verbesserte Nachweisgrenze zu erwarten. In dieser Arbeit werden einfache Sensoren für die Prozessentwicklung entworfen, mit der das Fraunhofer Instituts für angewandte Festkörperphysik betraut war. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt aber auf der analytischen Modellierung der Wellenausbreitung. Analytische Modelle zur Beschreibung der Membranbiegeschwinger wurden in den achtziger Jahren berichtet und beruhen auf der Euler-Bernoulli Plattentheorie [WW88b]. Die Modellierung auf Basis von Euler-Bernoulli liefert allerdings nur bei niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeiten eine ausreichende Genauigkeit und sie ist deshalb für neue Konzepte, wie die Multiparametersensorik oder die weitergehende Miniaturisierung, ungeeignet. In dieser Arbeit wird eine neue analytische Modellierung auf Basis der Scherdeformationstheorie erster Ordnung entwickelt, deren Genauigkeit den Stand der Technik deutlich übertrifft und damit auch die Modellierung bei kleinen Wellenlängen ermöglicht. Dazu wird zunächst das Partialmoden-Modell eingeführt und die numerischen Berechnung der Wellenausbreitung mit dieser Methode untersucht. Darauf aufbauend wird durch analytische Ausführung der Methode erstmalig die exakte analytische Dispersionsrelation im hexagonalen nicht piezoelektrischen Material abgeleitet. Die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung der Piezoelektrizität und in Flüssigkeit wird durch die Fusion des Partialmoden- und Plattentmodells bestimmt
Zusammenfassung: The objective of this thesis is the design and modeling of an acoustic sensor for the detection of chemical or biological substances in liquid. The principle of such acoustic sensors is based on the direct binding of an analyte on a sensitive layer, which is deposited on the oscillating sensor surface. In principal, no further laboratory equipment is needed for this detection procedure, and it is therefore well suited for portable low cost rapid tests. Admittedly, the applicability of available sensors for non-standarized liquids is limited, since the physical properties of the liquid contribute to the measurement result. In this work a microacoustic sensor is proposed, which could be more suitable for non-standarized liquids. This novel sensor construction is based on the flexural plate wave device, which was introduced in 1987 by White [WWa87], and used in its primary design since that time. Because of the particular properties of the flexural wave, this type of sensor is very well suited for multiparametric sensing, that is the measurement of liquid properties and mass deposition at the same time. This novel sensor design should eliminate serious disadvantages of the existing design. In the construction proposed here, the electrodes are not deposited on the membrane, but are buried in the membrane. Thereby the electromechanical coupling is improved and the transducer is electrically shielded. Due to the perfect shielding, both sides of the membrane can be used for sensing and the sensor can be completely embedded in the fluid. The theoretical advantages are the increase in sensitivity and electromechanical coupling, the reduction of electrical cross talk, and the minimized disturbances arising from pressure fluctuations across the membrane. Thus, the signal to noise ratio and the detection limit should be improved.In this work simple sensor structures were designed with the purpose of process development, which was done by Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics Freiburg. However, the focus of this work is on the analytical modeling of wave propagation. Analytical models of flexural plate wave devices were reported in the 80's and are based on Euler-Bernoulli plate theory [WW88b]. The accuracy of Euler-Bernoulli model is certainly only sufficient for low propagation speeds and therefore not suited for new concepts like the multiparametric sensing approach or miniaturization by utilization of small wavelengths.In this work a new analytical modeling method is developed on the basis of the first order shear deformation theory, which is well suited for the modeling of small wavelengths, because its correctness exceeds the state of the art substantially. For this purpose, the partial mode method is introduced and the numerical computation of the wave propagation reviewed. Subsequently, the exact analytical dispersion in hexagonal non piezoelectric materials is firstly derived, by carring out the partial mode approach analytically. The wave propagation of a piezoelectric plate in liquid is derived by fusion of results from the partial mode approach and the plate model

Object Details

• Alternative title: Design and modeling of a microacoustic sensor for the use in fluids
• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Deutsch
• Notes: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Dissertation, 2015

Classification and Topics

• Classification: Technische Chemie
• Keyword: Sensor ; Flüssigkeit ; Modellierung

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2016
• Creator: Katus, Philip
• Contributor: Reindl, Leonhard M.

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/10868
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-108681
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 14.08.2025, 10:53 AM CEST