Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 6, стр. 783-787

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время огромный интерес исследователей вызывают пьезоэлектрические резонаторы с поперечным электрическим полем [1–7]. Этот интерес связан с тем, что акустические датчики, основанные на указанных резонаторах, имеют ряд преимуществ по сравнению с резонаторами с продольным электрическим полем. Электроды резонатора с поперечным полем располагаются на одной стороне пьезоэлектрической пластины, и электрическое поле существует не только в пластине, но и в прилегающей к резонатору среде. Такая конструкция резонатора позволяет создавать на его основе датчики для определения вязкости и проводимости контактирующей жидкости [6], а также биологические датчики для исследования микробных клеток в жидкой фазе [8] без использования иммобилизованных специфичных регентов и датчики для определения резистентных свойств бактерий [9]. Показана возможность создания решетки таких резонаторов с хорошей акустической развязкой [10]. Было исследовано влияние бесконечно тонкой проводящей пленки на характеристики таких резонаторов и показана возможность бесконтактного измерения поверхностной проводимости [11] и микроперемещений [12] тонких пленок. Была также показана возможность создания газового датчика на основе резонатора с поперечным электрическим полем с газочувствительной пленкой хитозана [13, 14]. Было установлено, что в присутствии паров летучих жидкостей проводимость пленки увеличивается примерно на 1–2 порядка, и при этом наблюдается незначительное ее набухание, т.е. изменение ее толщины [13]. В работе [14] показано, что в присутствии паров летучих жидкостей кроме проводимости меняются модули упругости пленки хитозана и ее вязкость.

В настоящей работе впервые исследовано влияние толщины, модулей упругости и коэффициента вязкости, а также проводимости пленки, нанесенной на свободную сторону пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем, на его характеристики.

ПОЛУЧЕНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ЛАКА И ХИТОЗАНА–АЦЕТАТА

Была разработана технология создания механически прочных пленок на основе нитроцеллюлозного лака с микрочастицами графита и пленок хитозана–ацетата с помощью цилиндра и поршня из фторопласта с заданным диаметром. Для получения пленки выставлялась заданная глубина погружения поршня, и цилиндр заполнялся лаком или водным раствором хитозана до появления небольшого выпуклого мениска. После высыхания исходного материала поршень с пленкой выдвигался из цилиндра, и пленка легко снималась с поршня. После измерения толщины, диаметра и массы определялась плотность пленки (ρ). Затем пленка помещалась между прижимными электродами плоского конденсатора, и с помощью измерителя LCR параметров 4285A (Agilent) измерялась его емкость и проводимость. По известным поперечным размерам электродов и толщине пленки определялись удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость. После этого определялись коэффициенты упругости (c_ij) и вязкости (η) исследуемой пленки, в соответствие с методикой, изложенной в [15]. Для этого измерялись частотные зависимости модуля электрического импеданса резонатора в интервале частот 50–1450 кГц с шагом 100 Гц с помощью анализатора импедансов E4990A (Keysight). Резонатор представлял собой диск из пьезокерамики ЦТБС-3 диаметром 22 мм и толщиной около 2 мм с серебряными электродами, нанесенными на торцы диска. Полученные значения модулей упругости c₁₁ и c₄₄, а также коэффициент вязкости η и плотность ρ исследуемых пленок приведены в табл. 1.

Как уже отмечалось, ранее были измерены модули упругости и коэффициент вязкости, а также диэлектрическая проницаемость и объемная проводимость пленок хитозана при различной концентрации аммиака (n) в воздухе [14]. Значения указанных параметров при различной концентрации аммиака в воздухе представлены в табл. 2. Указанные данные были использованы при теоретическом анализе характеристик резонатора с поперечным электрическим полем с пленкой, имеющей различные значения электрической проводимости, толщины, модулей упругости и коэффициента вязкости.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОВОДИМОСТИ И ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗОНАТОРА С ПОПЕРЕЧНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

Вначале по полученным механическим параметрам, которые представлены в табл. 1, был проведен теоретический анализ влияния одновременного изменения электрической проводимости и толщины пленки, нанесенной на свободную поверхность пьезоэлектрического резонатора с поперечным возбуждающим электрическим полем, на его характеристики. При этом проводимость пленки σ менялась произвольным образом в интервале 10^–5–10^–2 См/м. Анализировался резонатор из пьезокерамики ЦТС-19 с размерами 18 × 20 мм², толщиной порядка 3 мм. Два бесконечно тонких проводящих электрода с размерами 7 × 20 мм² располагались на одной стороне пластины с зазором 4 мм. Полярная ось пьезоэлектрика была ориентирована перпендикулярно зазору. В качестве анализируемых пленок использовались пленки на основе нитроцеллюлозного лака с микрочастицами графита и пленки хитозана–ацетата. Анализ проводился методом конечных элементов [16] в предположении, что в направлении, перпендикулярном полярной оси, структура считалась бесконечной.

На рис. 1 представлены зависимости частоты параллельного резонанса F_par (рис. 1а) и максимального значения реальной части электрического импеданса R_max на этой частоте (рис. 1б) от проводимости σ пленки ацетата–хитозана для различных значений ее толщины для резонанса вблизи 98 кГц. Видно, что с ростом толщины пленки от 60 до 200 мкм при фиксированном значении электрической проводимости пленки частота параллельного резонанса увеличивается на 0.06%. При этом значение R_max уменьшается на 22%. При изменении проводимости от 10^–5 до 10^–2 См/м максимальное значение реальной части электрического импеданса уменьшается на 75–50%. В этом случае изменение резонансной частоты не превышает 0.03%.

Рис. 1.

Зависимости частоты параллельного резонанса F_par (а) и значения R_max на этой частоте (б) от проводимости пленки ацетата–хитозана для различных значений толщины пленки: 1 – 60, 2 – 100, 3 – 150, 4 – 200 мкм.

Аналогичные результаты были получены для пленок из нитроцеллюлозного лака. С ростом толщины пленки от 150 до 300 мкм при фиксированном значении электрической проводимости частота параллельного резонанса уменьшается на 0.2%. Значение R_max при этом снижается на 10–20%. При изменении проводимости от 10^–5 до 10^–2 См/м максимальное значение реальной части электрического импеданса уменьшается на 77%, а изменение резонансной частоты не превышает 0.04%.

Таким образом, исследование показало, что увеличение толщины пленки и увеличение ее проводимости приводят к существенному уменьшению реальной части импеданса на резонансной частоте, т.е. эти два эффекта всегда усиливают друг друга.

В соответствие с данными табл. 2 были также рассчитаны частота параллельного резонанса и значение реальной части электрического импеданса на этой частоте от концентрации аммиака (n) в воздушной смеси. Эти зависимости представлены кривыми 2 на рис. 2 и 3, соответственно. Видно, что с ростом концентрации аммиака резонансная частота незначительно уменьшается (рис. 2), а значение R_max меняется весьма существенно (рис. 3). Таким образом, уменьшение модулей упругости (на 30%) при увеличении коэффициента вязкости (на 85%) и увеличении проводимости (на 2 порядка) приводят к уменьшению R_max на 60%.

Рис. 2.

Зависимость частоты параллельного резонанса F_par от концентрации аммиака n в воздухе для резонатора с поперечным электрическим полем и пленкой ацетата–хитозана. 1 – Эксперимент, 2 – теория.

Рис. 3.

Зависимость значения R_max от концентрации n аммиака в воздухе для резонатора с поперечным электрическим полем и пленкой ацетата–хитозана. 1 – Эксперимент, 2 – теория.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛЕНОК НА РЕЗОНАНСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗОНАТОРА С ПОПЕРЕЧНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

Были проведены эксперименты с пленками нитроцеллюлозного лака с микрочастицами графита и с пленкой хитозана–ацетата на воздухе, которые были приклеены на свободную сторону резонатора с поперечным электрическим полем на основе керамики ЦТС-19. Геометрические размеры резонатора в точности соответствовали размерам, которые использовались в расчете. Измеренные значения резонансной частоты F_par и максимального значения реальной части электрического импеданса (R_max) приведены в табл. 3 для пленки нитроцеллюлозного лака с графитом и пленки ацетата–хитозана на воздухе. Здесь же приведены теоретические значения указанных параметров, которые оказались в хорошем соответствии с теорией (максимальное расхождение не превосходит 5.5%).

Были проведены эксперименты по исследованию одновременного изменения проводимости и акустических параметров пленки на характеристики резонатора с поперечным электрическим полем. Для этой цели резонатор с пленкой хитозана–ацетата помещался в камеру с изменяющейся концентрацией аммиака что, как показано в [14], приводило к изменению модулей упругости, коэффициента вязкости и проводимости пленки. В результате были измерены зависимости резонансной частоты F_par и R_max от концентрации аммиака. Эти экспериментальные зависимости представлены кривыми 1 на рис. 2 и 3, соответственно. Видно, что теоретическая и экспериментальная зависимости находятся в хорошем качественном соответствии друг с другом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенное исследование показало, что увеличение толщины пленки и увеличение ее проводимости приводят к незначительному увеличению резонансной частоты и к уменьшению реальной части импеданса на резонансной частоте для резонатора с поперечным электрическим полем, т.е. эти два эффекта всегда усиливают друг друга.

Исследование резонатора с поперечным электрическим полем и пленкой хитозана в воздушной смеси воздуха с аммиаком показало, что уменьшение модулей упругости пленки и возрастание коэффициента вязкости и электрической проводимости уменьшают резонансную частоту и максимальное значение реальной части электрического импеданса резонатора. При этом, уменьшение модулей упругости c₁₁ и c₄₄ на ~30% и увеличение коэффициента вязкости на 85% и электрической проводимости примерно на два порядка (при изменении концентрации аммиака n от 0 до 1600 ppm) меняют указанные величины на 0.1 и 60%, соответственно.

Работа выполнена в соответствии с государственным заданием ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и при частичной финансовой поддержке РФФИ (проекты № 19-07-00300 и № 20-07-00602). Авторы благодарны Федорову Ф.С. за помощь в приготовлении пленок хитозана.