Das einzigartige Viskosimeterdesign integriert ein optisches GaN-Gerät im Chip-Maßstab mit einem biegbaren Streifen

Herkömmliche Viskosimeter beruhen auf Kapillarströmung, und fallende Kugeln sind einfache und effektive Mittel zum Messen der Flüssigkeitsviskosität über einen großen Bereich. Ihr geringer Messdurchsatz und das Fehlen von Echtzeit-Überwachungsmöglichkeiten schränken jedoch ihren Anwendungsbereich ein.

Beispielsweise benötigen Kapillarinstrumente Stunden, um den Fluss hochviskoser Flüssigkeiten zu bewerten. Rotationsviskosimeter basieren auf der Messung des Drehmoments, das erforderlich ist, um eine Spindel in den Probenflüssigkeiten zu drehen. Sie können auf einen weiten Bereich von Viskositäten ansprechen, leiden jedoch unter den Nachteilen, dass sie voluminös und teuer sind und große Flüssigkeitsvolumina erfordern.

Fortgeschrittene Ansätze, wie Tröpfchen-basierte mikrofluidische Ansätze mit Mikrokanälen, aufgehängten Mikrokanalresonatoren, vibrierenden Auslegern und piezoelektrischen Resonatoren, wurden vorgeschlagen, um die Empfindlichkeit gegenüber Fluidviskosität in bestimmten Viskositätsbereichen zu erhöhen. Die Entwicklung von kostengünstigen Miniatur-Viskosimetern, die Echtzeitmessungen über einen breiten Bereich ermöglichen, blieb jedoch eine Herausforderung.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Fortschrittliche Fertigunghat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Kwai Hei Li von der Southern University of Science and Technology ein einzigartiges Viskosimeterdesign entwickelt, das ein optisches GaN-Gerät im Chipmaßstab mit einem biegbaren Streifen integriert.

Unter den möglichen Methoden hat die Viskosimetrie auf der Grundlage der Faseroptiktechnologie zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Dies liegt an den Vorteilen eines Messkopfes mit kompakter Bauweise, schneller Reaktion und Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Faseroptisches Sondieren mit modifizierten Strukturen wie hohlen Kapillarröhrchen, viskositätsempfindlichen Fluoreszenzsonden und langperiodischen Fasergittern wurde demonstriert. Ihre Implementierung beruht stark auf dem Zusammenbau von externen lichtemittierenden und detektierenden Einheiten und den optischen Elementen, die für die Lichtkopplung verwendet werden.

Obwohl berührungslose Messungen basierend auf optischen Pinzetten und interferometrischen Sonden genaue Viskositätsmessungen mit geringem Probenverbrauch ermöglichen, sind sie oft mit komplexen und teuren mikroskopischen Aufbauten verbunden. Der GaN-Halbleiter und seine Legierungen gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz, langen Lebensdauer und hohen physikalischen Stabilität als ideale Plattform für die Entwicklung lichtemittierender Bauelemente.

Kürzlich wurden andere optische Geräte wie Detektoren und Wellenleiter zur Integration auf derselben GaN-Plattform vorgeschlagen. Darüber hinaus wurden solche Anwendungen wie On-Chip-Kommunikation mit sichtbarem Licht realisiert.

Zusammenfassend wurde ein miniaturisiertes Viskosimeter entworfen, indem ein optisches GaN-Gerät mit einem biegbaren Streifen integriert wurde. Die Betriebs- und Strukturparameter des Viskosimeters, einschließlich Vibrationsfrequenz, Länge und Eintauchtiefe des Streifens, wurden optimiert. Mit drei unterschiedlich dicken Streifen zeigte das Viskosimeter einen extrem weiten Viskositätsbereich von 100–106 mPa∙s.

Neben der hohen Stabilität über 21.000 Zyklen wurden die Fähigkeit, praktische Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten zu unterscheiden, und die Echtzeitüberwachung von Elastomeren während der Aushärtungszeiten demonstriert. Es beweist das Potenzial des vorgeschlagenen Viskosimeters für die schnelle Analyse verschiedener Flüssigkeiten in praktischen Anwendungen.