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Publicação
Multi-degree-of-freedom Electrically Coupled Quartz Crystal Microbalance Platform for Increased Sensitivity and Resolution
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Precise measurement of minute masses is essential in fields such as environmental monitoring,
medical diagnostics, and biochemical sensing. However, traditional methods face significant limitations
due to their complexity, high cost, and the need for controlled environments. Although MEMS/NEMS-based sensors offer high sensitivity, they often struggle to operate reliably under real-world conditions due to environmental noise and long-term drift.
To address these limitations, this thesis proposes weakly coupled quartz crystal microbalance
(QCM) systems, exploring architectures with two and three degrees-of-freedom (2-DoF and 3-DoF) and comparing them with each other and with single degree-of-freedom (1-DoF) systems. Weakly coupled resonators leverage the phenomenon of mode localization, leading to significant improvements in sensitivity and stability.
Mass sensing experiments demonstrated that weakly coupled systems achieved mass resolution
improvements of up to 11.65 times (2-DoF) and 15.34 times (3-DoF) compared to the 1-DoF system.
However, these improvements were not consistently observed in all the tested cases.
For gas sensing experiments, passive electrical coupling was implemented through adjustable
capacitor switches, allowing precise control over the coupling strength. Metrics such as frequency shift, amplitude ratio (AR), and long-term stability were evaluated.
Results showed that the coupled systems significantly enhanced sensitivity (~ 10-3 to 10-2
AR/ng) and long-term stability, achieving mass resolution improvements of up to approximately 10
times (3-DoF) and 19.7 times (2-DoF) over a 10-minute interval, relative to a single device. The intro-
duction of a third resonator (3-DoF) increased system complexity without delivering uniformly superior performance. Additionally, amplitude ratio-based methods consistently exhibited steeper sensitivity responses compared to frequency-based approaches.
These findings enable the direct translation of this knowledge into advanced MEMS/NEMS
implementations, paving the way for robust, miniaturized sensing solutions capable of reliable operation under realistic environmental conditions.
A medição precisa de pequenas massas é essencial em áreas como a monitorização ambiental, diagnóstico médico e deteção bioquímica. No entanto, os métodos convencionais enfrentam limitações frequentes, como elevada complexidade, custos elevados e a necessidade de ambientes rigorosamente controlados. Sensores MEMS/NEMS, apesar da sua elevada sensibilidade, apresentam desafios significativos no que toca ao ruído ambiental e instabilidade a longo prazo. Nesta tese, são propostos sistemas utilizando microbalanças de quartzo (QCM) fracamente acopladas, explorando arquiteturas com dois e três graus de liberdade (2-DoF e 3-DoF), analisando-as entre si e comparativamente a sistemas tradicionais de um único grau de liberdade (1-DoF). O fenómeno de localização de modo observado em ressoadores fracamente acoplados resultou em melhorias significativas na sensibilidade e estabilidade. Nas experiências de deteção de massa, os sistemas fracamente acoplados alcançaram melhorias na resolução de massa de até 11,65 vezes (2-DoF) e 15,34 vezes (3-DoF), comparativamente ao sistema 1-DoF. No entanto, essas melhorias não foram observadas de forma consistente em todos os casos testados. Nas experiências de deteção de gás, foi implementado acoplamento elétrico passivo através de interruptores de condensadores, permitindo um controlo preciso da força de acoplamento. Foram avaliadas métricas como o desvio de frequência, a razão de amplitudes (AR) e a estabilidade a longo prazo. Os resultados demonstraram aumentos significativos na sensibilidade (~ 10-3 a 10-2 AR/ng) e na estabilidade a longo prazo, com melhorias na resolução de massa de até aproximadamente 10 vezes (3-DoF) e 19,7 vezes (2-DoF), para um intervalo de 10 minutos, relativamente a sistema com um único dispositivo. A introdução de um terceiro ressoador aumentou a complexidade do sistema sem garantir desempenho superior. Estas contribuições permitem a aplicação deste conhecimento no desenvolvimento de sensores MEMS/NEMS, mais robustos, miniaturizados e capazes de operar de forma fiável em condições reais.
A medição precisa de pequenas massas é essencial em áreas como a monitorização ambiental, diagnóstico médico e deteção bioquímica. No entanto, os métodos convencionais enfrentam limitações frequentes, como elevada complexidade, custos elevados e a necessidade de ambientes rigorosamente controlados. Sensores MEMS/NEMS, apesar da sua elevada sensibilidade, apresentam desafios significativos no que toca ao ruído ambiental e instabilidade a longo prazo. Nesta tese, são propostos sistemas utilizando microbalanças de quartzo (QCM) fracamente acopladas, explorando arquiteturas com dois e três graus de liberdade (2-DoF e 3-DoF), analisando-as entre si e comparativamente a sistemas tradicionais de um único grau de liberdade (1-DoF). O fenómeno de localização de modo observado em ressoadores fracamente acoplados resultou em melhorias significativas na sensibilidade e estabilidade. Nas experiências de deteção de massa, os sistemas fracamente acoplados alcançaram melhorias na resolução de massa de até 11,65 vezes (2-DoF) e 15,34 vezes (3-DoF), comparativamente ao sistema 1-DoF. No entanto, essas melhorias não foram observadas de forma consistente em todos os casos testados. Nas experiências de deteção de gás, foi implementado acoplamento elétrico passivo através de interruptores de condensadores, permitindo um controlo preciso da força de acoplamento. Foram avaliadas métricas como o desvio de frequência, a razão de amplitudes (AR) e a estabilidade a longo prazo. Os resultados demonstraram aumentos significativos na sensibilidade (~ 10-3 a 10-2 AR/ng) e na estabilidade a longo prazo, com melhorias na resolução de massa de até aproximadamente 10 vezes (3-DoF) e 19,7 vezes (2-DoF), para um intervalo de 10 minutos, relativamente a sistema com um único dispositivo. A introdução de um terceiro ressoador aumentou a complexidade do sistema sem garantir desempenho superior. Estas contribuições permitem a aplicação deste conhecimento no desenvolvimento de sensores MEMS/NEMS, mais robustos, miniaturizados e capazes de operar de forma fiável em condições reais.
Descrição
Palavras-chave
Quartz Crystal Microbalance Weakly Coupled Resonators Gas Sensor Mass Sensor Mode Localization MEMS/NEMS