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Titelaufnahme

Titel
Mechanical resonators for liquid viscosity and mass density sensing / eingereicht von Dipl.-Ing. Martin Heinisch
VerfasserHeinisch, Martin
Begutachter / BegutachterinJakoby, Bernhard ; Dufour, Isabelle
ErschienenLinz, August 2015
Umfangxx, 193 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2015
Anmerkung
Zusammenfassungen in deutscher und französischer Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Sensor / Viskosität / Dichte / Resonator / Flüssigkeitsmischung / Modell / Temperatur
Schlagwörter (EN)sensor / viscosity / mass / density / resonator / liquid mixture / model / temperature
Schlagwörter (GND)Viskosität / Massendichte / Sensor / Resonator / Modell
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-5073 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
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Mechanical resonators for liquid viscosity and mass density sensing [53.62 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

ie vorliegende Dissertation fasst die rezenten Forschungsergebnisse des Verfassers im Bereich mechanischer Resonatoren für Viskositäts- und Dichtesensorik zusammen, welche zwischen 2010 und 2015 im Rahmen eines international joint doctorate programs am Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik der Johannes Kepler Universität Linz, sowie am Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système der Université de Bordeaux erreicht wurden. In den Vorarbeiten von Arbeitsgruppen beider Institute wurden bereits Konzepte für elektrisch angeregte und ausgelesene mechanische Resonatoren zur Bestimmung von Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten erarbeitet und umgesetzt.

Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Resonanzfrequenz und Güte eingetauchter Resonatoren abhängig sind von Viskosität und Dichte der jeweiligen Flüssigkeiten. Die dabei untersuchten Konzepte beinhalteten strukturierte Polymerfolien, nasschemisch geätzte Neusilberbleche, mikromechanisch hergestellte Siliziumstrukturen, sowie siebgedruckte PZT Resonatoren. Die Motivation zur Untersuchung und Entwicklung solcher miniaturisierter Resonatoren resultiert unter anderem aus deren Anwendbarkeit für Inline-, Insitu- und Handgeräte für Labor- bzw.

industrielle Anwendungen. Besonders für Letztere sind Robustheit, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit, aber auch präzise Messergebnisse Grundvoraussetzung. Um den Anforderungen der Ergebnisse und Erkenntnisse der zuvor genannten Arbeiten gerecht zu werden, wurden folgende Ziele für diese Dissertation definiert. Erstens, die Entwicklung robuster, langzeitstabiler Messaufbauten zur Erreichung präziser Messergebnisse, wodurch eine geringe Temperaturquerempfindichkeit als weitere Bedingung aufgestellt wurde. Zweitens sollte untersucht werden ob und mit welcher Genauigkeit sowohl Viskosität als auch Dichte mit einem einzigen Instrument gemessen werden können. Drittens, sollte einerseits das Verhalten verschiedener Viskositäts- und Dichtesensoren modelliert bzw.

deren Vergleich ermöglicht werden. Basierend auf einer vorwiegend experimentellen Herangehensweise und unter Miteinbeziehung der zugrundeliegenden Theorien von Strömungs- und Strukturmechanik sowie der Elektrodynamik, konnten die o.g. Anforderungen erfüllt werden. Mit der schrittweisen Entwicklung und Untersuchung von insgesamt neun verschiedenen Sensorkonzepten konnte gezeigt werden, dass besonders einfach eingespannte Strukturen, wie U-Draht und Stimmgabelresonatoren am besten dafür geeignet sind, um Langzeitstabilität, hohe Messgenauigkeit und geringe Temperaturquerempfindlichkeit zu erzielen.

Für Letzteres führte die Verwendung von Wolfram als Resonatormaterial zu den besten Ergebnissen. Mit Stimmgabelsensoren konnten Genauigkeiten im Bereich von 1 % für Viskosität und 0.01 % für Dichte erreicht werden.

Die Verwendung von speziell gemischten Flüssigkeiten mit konstanten Dichten, aber verschiedenen Viskositäten und umgekehrt, ermöglichte getrennte, experimentelle Untersuchungen der Empfindlichkeiten auf Viskosität und Dichte. Für die Berechnung der im Rahmen dieser Experimente benötigten Flüssigkeitsmengen zur Erreichung einer gewissen Viskosität und Dichte bei einer bestimmten Temperatur, wurden Modelle sowohl für Einzelflüssigkeiten als auch für binäre und ternäre Flüssigkeitsmischungen erarbeitet. Diese Modelle sowie entsprechende Mischungsanleitungen wurden auf der Internetplattform www.rheo-logic.info zur Verfügung gestellt. Durch Verwendung solcher Flüssigkeitsserien konnte für die untersuchten Sensoren gezeigt werden, dass die Empfindlichkeiten der Güte auf Viskosität und Dichte ähnlich sind, wohingegen die Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz auf Dichte mindestens zehn mal höher ist als auf Viskosität. Diese Erkenntnis belegt, dass beide Größen mit einem einzigen Sensor gemessen werden können. Des Weiteren wurde ein generalisiertes Modell entwickelt, welches nicht nur die Funktionsweise der Sensoren unter Berücksichtigung von deren Temperaturquerempfindlichkeiten vollständig beschreibt, sondern auch den Vergleich unterschiedlicher Sensordesigns ermöglicht.

Dass für die Kalib- rierung die Ergebnisse von Messungen in nur drei Flüssigkeiten ausreichend sind und dass damit bereits hohe Modellgenauigkeiten für verschiedene Sensordesigns erreicht wurden, sind weitere Vorteile dieses generalisierten Modells.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis summarizes the author's recent work on the topic of mechanical resonators for liquid viscosity and mass density sensing, which were achieved between 2010 and 2015 in the course of an international joint doctorate program performed at the Institute for Microelectronics and Microsensors at the Johannes Kepler University Linz, Austria and the Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système in Bordeaux, France. In previous studies performed by work groups of both laboratories, the concept of using electrically actuated and read-out mechanical resonators for the determination of liquids' viscosities and mass densities has been established and elaborated.

These works showed that the resonance frequencies and quality factors of immersed resonators are affected by the liquids' viscosities and mass densities, respectively. The investigated concepts included devices using structured polymer or wet-etched new silver sheets as well as micro-machined silicon and screen-printed PZT resonators. The motivation for investigating and developing such miniaturized resonators was formed, amongst others, by their capability for in-line, in-situ and handheld-devices for laboratory as well as for industrial applications.

Especially for the latter, physical robustness, long-term stability and reliability, as well as accurate measurement results are basic requirements. To satisfy these requirements and considering the results and insights of earlier works, the objectives of this thesis were first, implementing robust measuring setups featuring long-term stability and high measurement accuracy, where the latter furthermore requires low cross-sensitivity to temperature. Second, investigating the capability of measuring both, a liquid's mass density and viscosity with a single device as well as providing an estimate of achievable measurement accuracies for both quantities. And third, enabling the modeling of the performance of different viscosity and mass density sensors on the one side and their comparison on the other side. These three specifications were accomplished by following mainly experimental approaches and investigations but also by elaborating the underlying theory of hydrodynamics, structural mechanics, and electrodynamics. The investigation of nine different, successively developed sensor concepts showed that especially singly clamped device approaches such as vibrating U-shaped wires or tuning fork sensors are best suited for obtaining long-term stability, high measurement accuracy, and low cross-sensitivity to temperature. For the latter, the usage of tungsten as resonator's material yielded the best results. With tuning fork sensors, accuracies in the order of 1 % in viscosity and 0.01 % in mass density could be achieved. Using specially developed liquid mixtures with constant mass densities but varying viscosities and vice versa, allowed for a separate experimental investigation of the devices' sensitivities to viscosity and mass density. To prescribe the necessary amounts of liquids for obtaining a certain viscosity and mass density at a given temperature, models for single liquids as well as binary and ternary liquid mixtures were elaborated. These models and associated mixture prescriptions can be accessed via the platform www.rheo-logic.info. By using such liquid series it was shown for the investigated sensors that the sensitivities of the quality factor to viscosity and mass density are similar but that the sensitivities of the resonance frequency are typically at least ten times higher to mass density than to viscosity. This finding proves that both, viscosity and mass density can be measured while using a single device. Furthermore, a generalized model was developed which not only describes completely the sensors' performances considering their cross-sensitivity to temperature but also enables the comparison of different sensor designs. The circumstances, that the measurement results in only three liquids are sufficient for the models calibration and that high modeling accuracies for different sensor designs could therefore be achieved, are further highlights of this generalized model.