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ZAIA

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F i g . 1 : F a b r i c a t e d f l o w y t h r o u g h c e l l i n P C B w i t h p e r m a n e n t m a g n e t b e l o w a n d c a v i t y f o r s e c o n d m a g n e t o n t o p ( l e f t ) , a n d F E M e x c i t a t i o n a n a l y s i s f o r c u r r e n t d e n s i t y ( c o l o r e d r e g i o n s ) a n d d i s p l a c e m e n t ( a r r o w s ) f o r v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l i n y p l a n e v i b r a t i o n a t 3 . 8 k H z a n d 5 . 7 k H z , r e s p e c t i v e l y ( r i g h t ) . T h e s u s p e n d e d p l a t e r e s o n a t o r s h a v e b e e n f a b r i c a t e d b y s t a n d a r d p h o t o l i t h o g r a p h y a n d e t c h i n g , m i l l i n g , a n d l a s e r c u t t i n g o f t h i n m e t a l l i c s h e e t s . F l u i d i c i n l e t a n d o u t l e t a r e c o n n e c t e d t o s t a n d a r d c a p i l l a r i e s t h r o u g h t h e t o p P C B l a y e r . O n l y s m a l l a m o u n t s o f l i q u i d s ( o n t h e o r d e r o f 1 0 0 l ) a r e r e q u i r e d . T h e t e s t f l u i d c a n b e q u i c k l y e x c h a n g e d w i t h a c o m b i n a t i o n o f s o l v e n t c l e a n i n g a n d a i r f l o w d r y i n g , a n d t h e w h o l e d e v i c e c a n a l s o b e e a s i l y d i s a s s e m b l e d f o r e x t e n s i v e c l e a n i n g o r r e p l a c e m e n t o f t h e r e s o n a t o r . T h e d i m e n s i o n s o f t h e c o m p l e t e d e v i c e a r e 2 . 5 c m b y 3 c m b y 1 c m . T h e r e s o n a t o r i t s e l f i s e l e c t r i c a l l y o p e r a t e d a s a t w o $ p o r t d e v i c e , w h e r e t h e e x c i t a t i o n c a n b e a p p l i e d t o a n y t w o c o n t a c t p a d s , w h i l e t h e o t h e r t w o a r e c o n n e c t e d t o a n e t w o r k a n a l y z e r t o m e a s u r e t h e v o l t a g e i n d u c e d b y m e c h a n i c a l m o t i o n . T h e e x c i t a t i o n c u r r e n t c a n t h u s f l o w a c r o s s t h e p l a t e i n a h o r i z o n t a l , v e r t i c a l a n d d i a g o n a l f a s h i o n , r e s u l t i n g i n v e r t i c a l , h o r i z o n t a l a n d d i a g o n a l f o r c e s , r e s p e c t i v e l y ( F i g . 1 ) . T h e r e s u l t i n g i n $ p l a n e v i b r a t i o n e x e r t s a s h e a r s t r e s s a t t h e s o l i d $ l i q u i d i n t e r f a c e o n t h e t o p a n d b o t t o m f a c e s o f t h e r e s o n a t o r . T h i s l e a d s t o a n e v a n e s c e n t s h e a r w a v e p e n e t r a t i n g t h e l i q u i d , w h i c h i s h i g h l y s e n s i t i v e t o t h e d e n s i t y $ v i s c o s i t y p r o d u c t , y i e l d i n g s h i f t s o f t h e r e s o n a n c e f r e q u e n c y f a n d c h a n g e s i n t h e q u a l i t y f a c t o r Q . T h e s e n s o r s e t u p w a s c o n n e c t e d t o a n A g i l e n t E 5 0 6 1 B n e t w o r k a n a l y z e r f o r g a i n $ p h a s e m e a s u r e m e n t s . T h e D C i m p e d a n c e o f t h e r e s o n a t o r e l e m e n t s w a s i n t h e r a n g e o f a f e w O h m s . T h e e x c i t a t i o n p a t h w a s c o n n e c t e d t o r e f l e c t i o n p o r t a n d R F s o u r c e a t 0 d B m n o m i n a l p o w e r a t 5 0 , w h i l e t h e i n d u c t i o n p a t h o f t h e r e s o n a t o r w a s c o n n e c t e d t o t h e t r a n s m i s s i o n p o r t o f t h e n e t w o r k a n a l y z e r . T o d e c o u p l e p a r a s i t i c e f f e c t s o f c a b l e s , c r o s s t a l k , o f f s e t , e t c . , a n d t o a m p l i f y d r i v i n g c u r r e n t a n d i n d u c e d v o l t a g e , t w o l o w f r e q u e n c y t r a n s f o r m e r s ( C o i l c r a f t E u r o p e L t d . , U K ) w i t h w i n d i n g r a t i o s o f 1 : 8 a n d 1 : 1 6 , r e s p e c t i v e l y , w e r e a t t a c h e d t o t h e c o n n e c t i o n p i n s . N o a d d i t i o n a l a v e r a g i n g o r s m o o t h e n i n g w a s n e c e s s a r y . F o r t e m p e r a t u r e c o n t r o l a n d s t a b i l i z a t i o n t h e d e v i c e w a s p l a c e d i n t o a c l i m a t e c o n t r o l c h a m b e r ( W e i s s W K L 1 0 0 ) . 3 3 0 0 3 5 0 0 3 7 0 0 3 9 0 0 5 3 0 0 5 5 0 0 5 7 0 0 5 9 0 0 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 2 0 0 2 2 5 F r e q u e n c y f / H z I n d u ce d vo l t a ge U i n d / × V i n a i r 1 Û P r o p a n o l 1 Û O c t a n o l F i g . 2 : M e a s u r e d i n d u c e d v o l t a g e i n a i r a n d l i q u i d s f o r v e r t i c a l m o d e a t 3 . 8 k H z a n d h o r i z o n t a l m o d e a t 5 . 7 k H z , c o r r e s p o n d i n g t o F i g . 1 ( l e f t ) , a n d e x e m p l a r y l o c u s p l o t f o r h o r i z o n t a l m o d e ( r i g h t ) . S E N S O R + T E S T C o n f e r e n c e s 2 0 1 1 b S E N S O R P r o c e e d i n g s 1 4 2 3 . E x p e r i m e n t a l R e s u l t s F r o m t h e l o c u s p l o t o f t h e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e v i c i n i t y o f t h e r e s o n a n c e f r e q u e n c y , w e e v a l u a t e t h e q u a l i t y f a c t o r a n d f r e q u e n c y s h i f t i n d i f f e r e n t l i q u i d s a s a f u n c t i o n o f t h e d e n s i t y $ v i s c o s i t y p r o d u c t [ 7 , 1 1 ] . F i g u r e 2 s h o w s t w o e x e m p l a r y m e a s u r e m e n t s o f a v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l v i b r a t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t h e F E M a n a l y s i s i n f i g u r e 1 , a s f r e q u e n c y s p e c t r u m a n d l o c u s p l o t , r e s p e c t i v e l y . W e a n a l y z e d l i q u i d s o v e r a w i d e r a n g e o f v i s c o s i t i e s , i n c l u d i n g d e $ i o n i z e d ( D I ) w a t e r , p r i m a r y a l c o h o l s , a n d o i l v i s c o s i t y s t a n d a r d s u p t o 4 0 0 m P a s . R e f e r e n c e v a l u e s f o r d e n s i t y a n d v i s c o s i t y o f t h e s e t e s t l i q u i d s w e r e m e a s u r e d w i t h a h i g h p r e c i s i o n l a b v i s c o s i m e t e r ( A n t o n P a a r S V M 3 0 0 0 ) i n p a r a l l e l t o t h e r e s o n a n c e s e n s o r m e a s u r e m e n t s . T h e t e s t l i q u i d s w e r e i n j e c t e d w i t h a m i c r o l i t e r p i p e t t e . A f t e r e a c h l i q u i d , t h e t e s t c h a m b e r w a s f l u s h e d w i t h a p p r o p r i a t e c l e a n i n g s o l v e n t ( b e n z i n e , i s o p r o p a n o l , a c e t o n e ) , a i r f l o w d r i e d , a n d a r e f e r e n c e m e a s u r e m e n t i n a i r w a s m a d e . T h e m e a s u r e m e n t c e l l w a s o n l y d i s a s s e m b l e d a f t e r a c o m p l e t e m e a s u r e m e n t r u n . S h o w n i n f i g u r e 3 a r e t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s f o r a n i c k e l $ z i n c a l l o y d e v i c e o f 1 0 0 ð m t h i c k n e s s w i t h l i n e a r a n c h o r s p r i n g s o p e r a t i n g i n a s h e a r h o r i z o n t a l m o d e o f v i b r a t i o n a r o u n d 9 k H z . E a c h m e a s u r e m e n t w a s r e p e a t e d t e n t i m e s , t h e m e a n v a l u e s a n d s t a n d a r d d e v i a t i o n u s e d f o r t h e p l o t s b e l o w . T h e Q $ f a c t o r , w h i c h d e c r e a s e s f r o m a b o u t 2 5 0 i n a i r t o 1 0 – 8 0 i n l i q u i d s , d i s p l a y s a c o n t i n u o u s , n o n $ l i n e a r b e h a v i o r . O n l y w a t e r s l i g h t l y d e v i a t e s f r o m t h i s b e h a v i o r , w h i c h c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e l a r g e r d i f f e r e n c e i n d e n s i t y a n d s p u r i o u s o u t $ o f $ p l a n e m o t i o n a t t h e e d g e s a p p e a r i n g i n t h i s s p e c i f i c e x p e r i m e n t , b e c a u s e o u t $ o f $ p l a n e m o t i o n i s p a r t i c u l a r l y s e n s i t i v e t o d e n s i t y [ 1 6 , 1 7 ] . T h e s t i l l c o n s i d e r a b l e q u a l i t y f a c t o r o f t h e S 2 0 0 o i l v i s c o s i t y s t a n d a r d l e a d s t o t h e p r e d i c t i o n t h a t t h e s e r e s o n a t o r s e n s o r s a r e a l s o s u i t a b l e f o r e v e n h i g h e r v i s c o s i t i e s . H o w e v e r , t h e h a n d l i n g o f s u c h h i g h l y v i s c o u s l i q u i d s b e c o m e s i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t w i t h t h e c u r r e n t m i n i a t u r i z e d d e s i g n , e s p e c i a l l y t h e f i l l i n g a n d f l u s h i n g o f t h e m e a s u r e m e n t c e l l d u e t o t h e s m a l l d i m e n s i o n s o f c e l l , i n l e t s , a n d c a p i l l a r i e s . T h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d q u a l i t y f a c t o r i s a p p r o x i m a t e l y 1 – 2 % . T h e f r e q u e n c y s h i f t d i s p l a y s a n e a r l y l i n e a r r e l a t i o n s h i p t o t h e s q u a r e r o o t o f d e n s i t y $ v i s c o s i t y . H o w e v e r , e s p e c i a l l y f o r l i q u i d s o f h i g h e r v i s c o s i t i e s , e s t a b l i s h i n g a n a p p r o p r i a t e r e f e r e n c e m e a s u r e m e n t i n a i r b e c o m e s d i f f i c u l t , d u e t o p r o b l e m s w i t h c o m p l e t e c l e a n i n g a n d d r y i n g o f t h e r e s o n a t o r e l e m e n t . L i q u i d a n d s o l v e n t r e s i d u e s t r o n g l y a f f e c t t h e a i r m e a s u r e m e n t d u e t o a d s o r p t i o n a t t h e r e s o n a t o r s u r f a c e , w h i l e d u r i n g m e a s u r e m e n t i n o t h e r l i q u i d s , t h e s e t r a c e s u b s t a n c e s b e c o m e n e g l i g i b l e . T h e a v e r a g e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e f r e q u e n c y s h i f t i s 1 % . A p r i m a r y i s s u e o f v i s c o s i t y m e a s u r e m e n t s i s t h e s t r o n g d e p e n d e n c e o f t h e m e a s u r a n d o n t e m p e r a t u r e . T h e r e f o r e , w e a d d i t i o n a l l y e v a l u a t e d t h e t e m p e r a t u r e b e h a v i o r o f o u r s e n s o r s e t u p i n a i r a n d l i q u i d s o v e r a w i d e r t e m p e r a t u r e r a n g e . O f c o n c e r n i s t h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e n

A6.2 - Density-Viscosity Measurement Cell for Electrodynamic-Acoustic Resonators