Het unieke ontwerp van de viscositeitsmeter integreert een GaN-fotonisch apparaat op waferschaal met een buigbare band

Conventionele viscositeitsmeters vertrouwen op capillaire stroming en druppelballen zijn een eenvoudig en effectief middel om de viscositeit van vloeistoffen op grote schaal te meten. Hun lage meetdoorvoer en gebrek aan real-time monitoringmogelijkheden beperken echter hun toepassingsgebied.

Capillaire instrumenten hebben bijvoorbeeld uren nodig om de stroom van zeer stroperige vloeistoffen te beoordelen. Rotatieviscosimeters zijn gebaseerd op het meten van het koppel dat nodig is om een ​​spil in monstervloeistoffen te laten draaien. Het kan reageren op een breed scala aan viscositeiten, maar heeft het nadeel dat het omvangrijk en duur is en grote hoeveelheden vloeistof vereist.

Geavanceerde benaderingen, zoals druppelgebaseerde microfluïdische benaderingen met microkanalen, hangende microkanaalresonatoren, trillende uitsteeksels en piëzo-elektrische resonatoren, zijn voorgesteld om de gevoeligheid voor vloeistofviscositeit in specifieke viscositeitsbereiken te verbeteren. Het blijft echter een uitdaging om goedkope geminiaturiseerde viscosimeters te ontwikkelen die in staat zijn tot grootschalige real-time metingen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Hoogtepunten: Geavanceerde fabricageEen team van wetenschappers onder leiding van professor Kwai Hee Lee van de Southern University of Science and Technology heeft een uniek viscometerontwerp ontwikkeld dat een GaN-optisch apparaat op waferschaal integreert met een buigbare band.

Van de mogelijke methoden krijgt viscometrie op basis van glasvezeltechnologie steeds meer aandacht. Dit komt door de voordelen van de sensorkop met compacte structuur, snelle respons en immuniteit voor elektromagnetische interferentie.

Glasvezelsondes met gewijzigde structuren, zoals holle capillaire buizen, viscositeitsgevoelige fluorescerende sondes en langdurige glasvezelnetwerken, zijn gedemonstreerd. Hun implementatie is sterk afhankelijk van de montage van externe lichtgevende modules, detectoren en optische elementen die worden gebruikt voor lichtkoppeling.

Hoewel contactloze metingen op basis van optische pincetten en interferometrische sondes nauwkeurige viscositeitsmetingen mogelijk maken met een laag monsterverbruik, gaat het vaak om complexe en kostbare microscopie-opstellingen. GaN-halfgeleiders en hun legeringen zijn een ideaal platform voor de ontwikkeling van lichtemitterende apparaten vanwege hun hoge efficiëntie, lange levensduur en hoge fysieke stabiliteit.

Onlangs zijn andere optische apparaten, zoals detectoren en golfgeleiders, voorgesteld voor integratie op hetzelfde GaN-platform. Bovendien zijn toepassingen zoals on-chip zichtbaar-lichtcommunicatie gerealiseerd.

Samenvattend werd een geminiaturiseerde viscositeitsmeter ontworpen door een GaN optisch apparaat te integreren met een buigbare staaf. De operationele en structurele parameters van de viscosimeter, inclusief trillingsfrequentie, lengte en diepte van bandonderdompeling, werden geoptimaliseerd. Met drie plakjes van verschillende diktes toonde de viscositeitsmeter een extreem breed viscositeitsbereik van 10⁰– 10⁶ mPa·s.

Afgezien van de hoge stabiliteit gedurende 21.000 cycli, is het vermogen aangetoond om procesvloeistoffen met verschillende viscositeiten te onderscheiden en om de uithardingstijden van het elastomeer in realtime te bewaken. Het bewijst het potentieel van de voorgestelde viscosimeter voor snelle analyse van verschillende vloeistoffen in praktische toepassingen.