Modellierung von modifizierten Ultraschallwandlern zur chemisch/biologischen Anwendung in Flüssigkeiten

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Modellierung von Sensoren für das Forschungsgebiet der Life Science. Diese sollen mittels des Mass-Loading-Prinzips kleine Massenänderungen in Flüssigkeit detektieren können.

Im Rahmen der Arbeit werden zwei Ansätze untersucht, bei denen die Flüssigkeit in den resonant schwingenden Körper des Sensors integriert wird. Als Grundlage sind die kommerziell erhältlichen Ultraschallwandler (Murata MA40B8S) vorgegeben. In einem ersten Ansatz werden Schläuche mit Durchmessern zwischen 0,2 mm und 0,5 mm auf den Sensor aufgebracht und mit Luftblasen und Flüssigkeit gefüllt. Abhängig von der Art der Einkopplung und dem Durchmesser des Schlauches können Massenauflösungen zwischen (76,74 ± 16,2) Hz/mg und (1362,3 ± 240,3) Hz/mg bei einer Güte von Q = 56,55 erreicht werden. In der zweiten untersuchten Lösung werden verschiedene Kanäle in die Oberfläche des Ultraschallwandlers gefräst, über einen 100 μm starken Trockenfilmresist verschlossen und über Schläuche mikrofluidisch angeschlossen. Mit diesen Sensoren können 0,1 mm lange Luftblasen mit einer Massenauflösung von (179,0 ± 24,7) Hz/mg detektiert werden.

Das Verhalten des unbelasteten Wandlers wird analytisch über das Butterworth-van-Dyke-Ersatzschaltbild und numerisch mittels COMSOL Multiphysics modelliert. Die verwendete Piezokeramik wird anhand einer Abschätzung mittels Finite-Elemente-Methode auf die Piezokeramik PZT-7B eingegrenzt. Zudem werden die Einflüsse durch Variation der Abmessungen sowie den in piezoelektrischen Materialien auftretenden Verlusten untersucht und in der Simulation berücksichtigt.

Um Vergleichswerte für die Modellierung der Wandler zu erhalten, werden diese elektrisch über die Impedanz charakterisiert. Zur mechanischen Charakterisierung wird ein Messstand entwickelt und aufgebaut, mit dem die Geschwindigkeiten und Auslenkungen auf der Oberfläche in einem Bereich von bis zu 12 cm x 12 cm in Schritten von ≥ 1μm ermittelt werden können.