Frequency response of microcantilevers in gas, liquid and supercritical CO2

Abstract

Mikro-mekanik çınlaçlar, yüksek hassasiyetleri, ucuz maliyetleri gibi potansiyel faydaları nedeniyle ağdalıkölçer ve yoğunlukölçer gibi aygıt uygulamalarında son yıllarda yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Bu tez, mikro-çubukların sıklık yanıtlarının süperkritik akışkanlar içinde incelendiği literatürdeki ilk çalışmadır. Bu çalışmada, mikro-çubukların karbondioksit içindeki sıklık yanıtları kullanılarak, çınlaçların çınlanım sıklığı (fR), nitelik katsayıları (Q), ve sönüm katsayıları (ß) ile deney yapılan ortamın yoğunluk (?), ağdalık (?) ve eşsıcaklıklı sıkışırlık (KT) gibi termo-fiziksel özellikleri arasındaki ilişkiler araştırıldı. Uzunlukları 200 µm, 225 µm ve 250 µm, genişlikleri 20 µm ve kalınlıkları 1 µm olan, ince Cr ve Au yaygı içeren çokkatmanlı Ni mikro-çubuklar, geleneksel mikro-yapım teknikleriyle üretildi. Çubuklar, mikro-çubuk yongasını ve sinüsoidal biçimde tahrik edilen elektromıknatısı titreşimsiz tutan özel tasarlanmış Teflon muhafaza yardımıyla, camlı yüksek basınç kabına yerleştirildi. Algılama için bir Lazer Dopler Titreşimölçer kullanıldı. 1 ve 200 atm basınç aralığında 25 °C, 35 °C, 45 °C ve 55 °C sıcaklıklarda deneyler yapıldı. Çınlanım sıklıklarının yoğunlukla, nitelik katsayılarının ise ağdalıkla azaldığı gözlendi. Gaz fazındaki çınlanım sıklığı ve nitelik katsayılarındaki değişmelerin, sıvı veya süperkritik faza oranla daha fazla olduğu kaydedildi. Çınlanım sıklığının gaz fazındaki yoğunluk ve (??)0.5 ile doğrusal değişimi kullanılarak basit bir kalibrasyon yöntemiyle, bu fazdaki yoğunluk ve ağdalık değerlerinin % 1'den küçük hata paylarıyla hesaplanabildiği görüldü. Nitelik katsayıları ve ağdalık arasında ikinci dereceden bir ilişki olduğu anlaşıldı. Ek olarak, sabit bir basınç ve sıcaklıkta ardıl çınlanım sıklığı ölçümlerindeki azalmaların, yoğunlukla eşsıcaklıklı sıkışırlık katsayıları çarpımının çıkaç değerlerindeki kaymaya karşılık geldiği gözlendi. Ek olarak, 25 °C'de kaynama noktasından düşük bir basınçta, Lazer Doppler Titreşimölçer'in verdiği ısıyla ısınan mikro-çubuklar etrafında mikro-boyutlu kabarcıkların oluştuğu gözlendi.

Micromechanical resonators have been extensively studied in recent years because of their potential for high-sensitive, low cost, compact device applications, such as in situ viscometers and densitometers. This thesis is the first study in the literature that investigates the response of microcantilevers in a supercritical fluid. In this study, the frequency response of microcantilevers in CO2 was investigated in order to relate the thermophysical properties such as density (?), viscosity (?) and isothermal compressibility (KT) to the resonance frequency (fR), quality factor (Q) and damping parameter (ß). 200 µm, 225 µm, 250 µm long, 20 µm wide and 1 µm thick multilayered Ni microcantilevers consisting thin Cr and Au films were fabricated by conventional microfabrication techniques. The cantilevers were placed in a high pressure view cell equipped with a custom designed Teflon housing holding the microcantilever chip and the electromagnetic coil which was actuated sinusoidally. A Laser Doppler Vibrometer (LDV) was used for detection. Experiments were carried out in the pressure range of 1 atm to 200 atm and at 25 °C, 35 °C, 45 °C and 55 °C. First, it was observed that fR decreased with increasing ? and Q decreased with increasing ?. The changes in fR and Q were larger in the gas phase than those in the liquid or supercritical (sc) phase. Second, fR was observed to vary linearly with ? as well as (??)0.5 in the gas phase which enabled the determination of ? and ? through calibration with percentage errors less than 1 %. A quadratic relationship was observed between Q and ?. Apart from that, the decreases of fR observed in successive measurements (i.e. drifts) at a constant temperature and pressure were found to correspond to the shifts of the maxima of the density multiplied by compressibility, defined as ? -?K ? _T=(??/?P)_T. Moreover, microscale bubbles were observed at a pressure less than the bubble point pressure at 25 °C due to heating of cantilevers by LDV.