压电式尖端耦合双悬臂梁微系统直接测量液体粘度

在固定的温度和压力下，流体的质量密度和粘度具有唯一值。利用这些特性准确表征液体在医疗保健、加工工业和液体（润滑剂）健康监测等应用领域非常重要。压电MEMS谐振器凭借其在流体环境中能够以合适的品质因数（Q）工作成为流体特性测量的热门器件。

据麦姆斯咨询报道，近日，印度科学学院（Indian Institute of Science）纳米科学与工程中心与美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）生物医学工程系的联合科研团队在《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊发表了以“A tip-coupled, two-cantilever, non-resonant microsystem for direct measurement of liquid viscosity”为主题的论文。该论文第一作者为Sudhanshu Tiwari，通讯作者为Sudhanshu Tiwari和Rudra Pratap。

在这项研究中，研究人员报道了一种独特的尖端耦合双悬臂梁（TCTC）传感系统，任何流体的运动粘度都可以从该器件的输出参数（速度/位移）直接获得。这种测量技术提供了快速且直接的粘度测量。在该尖端耦合结构中，利用两根悬臂梁可避免测量Q因数和估计粘度时的相关复杂性。

新型TCTC粘度传感器的设计模仿了传统流变仪/粘度计，其测试流体受到固定物体与旋转物体间的剪切力的影响。在传统粘度计中，将施加扭矩与运动物体速度之间的关系作为表征液体粘度的度量。而本研究中的传感器设计由两根微悬臂梁构成，集成了压电锆钛酸铅（PZT）薄膜的悬臂梁将作为有源元件。图1a为TCTC粘度传感器的设计示意图，图1b-图1d为所制备的TCTC结构在不同放大倍率下的俯视图。

图1 由尖端耦合双微悬臂梁构成的粘度测量系统

悬臂梁是在25 μm厚的绝缘体上硅（SOI）晶圆上制备的。两根悬臂梁宽度均为200 μm，有源悬臂梁长900 μm，无源悬臂梁长800 μm，两悬臂梁自由端相互对准，其中的间距为20 μm。当TCTC结构被置于流体中时，流体填充了悬臂梁之间的空间，并充当偶联剂。在这种情况下，流体受到两悬臂梁的自由端之间剪切力的影响。当将交变电场施加在有源悬臂梁上的压电薄膜上时，该悬臂梁开始以所施加电压的频率振动。这使得周围的流体处于运动状态，进而对无源悬臂梁施加了时变力，使其也产生振荡运动。由于无源悬臂梁是通过流体介质与有源悬臂梁耦合的，因此无源悬臂梁的振幅取决于流体性质和有源悬臂梁的振幅。值得注意的是，流体也受两悬臂梁之间剪切力的影响，因此流体粘度的影响主导了无源悬臂梁的响应。

研究人员采用激光多普勒测振仪（LDV）Polytec MSA-400来测量该TCTC粘度传感器中悬臂梁的振动响应。有源悬臂梁是通过在PZT薄膜的顶部和底部电极施加0.75 V的单极电势来驱动的，样本被放入装有液体（测试流体）的培养皿中。悬臂梁的响应是通过将不同波长的测量的激光束依次放置在悬臂梁尖端来测量的，结果如图2c所示。测量装置示意图如图2a所示。另外，通过扫描整个悬臂梁系统，研究人员还测量了悬臂梁的挠度分布，如图2b所示。接着，文中对不同浓度的甘油-水（G-W）溶液重复进行流体测量，得到液体粘度对振幅比的影响结果，如图3所示。

图2 有源悬臂梁和无源悬臂梁频率响应的测量方法及结果

图3 液体粘度对振幅比的影响

由于粘度测量只需在单一驱动频率下进行，所以讨论驱动频率选择的关键因素非常重要。驱动频率选择的两个最重要因素是：灵敏度、由振动有源悬臂梁所产生的剪切波的穿透深度。TCTC粘度传感器的灵敏度测量结果如图4所示。此外，研究人员对该TCTC粘度传感器的测量范围及校准误差进行了评估，结果如图5所示。

图4 TCTC粘度测量系统的建模与灵敏度分析

图5 TCTC粘度测量系统的目标粘度范围及校准误差

综上所述，本研究中的TCTC粘度传感器设计采用了一种新型双悬臂梁结构，利用悬臂梁尖端之间的流体耦合来进行粘度传感。凭借其直接、更快、更灵敏的测量特点，这种独特方法是对目前MEMS粘度传感器的重大改进。无源悬臂梁的相对响应遵循幂定律，aηb取决于流体的运动粘度。

这种特性允许该传感器仅使用两个数据点即可校准，而非当前MEMS粘度传感器中需要四点或更多数据点的校准。TCTC粘度传感器的另一显著优势是能够在不同工作频率下测量液体的粘度，从而实现剪切速率的测量。虽然本研究中使用的测试流体为牛顿流体，但该TCTC粘度传感器可在不同频率下测量粘度的能力也得到了说明。这些初步研究结果有望促进TCTC粘度测定方法在MEMS领域的探索和应用。

在本论文中，研究人员还阐述了两悬臂梁之间的能量耦合机制。除了流体的剪切流动外，悬臂梁之间的能量传递也可能源于结构耦合和声波流动。最后，该研究通过将实验数据与包含三种耦合机制的公式相拟合，验证了这一假设。

审核编辑：刘清