粘性流体の超広範囲測定が可能に

Light Publishing Center、長春光学研究所、精密機械物理学、CAS

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クレジット: Yumeng Luo、Gaofei Lu、Qi Wang、Zhiqin Chu、Kwai Hei Li 著

従来の粘度計は毛細管の流れに依存しており、落下するボールは広範囲にわたる流体の粘度を測定するためのシンプルで効果的な手段です。 ただし、測定スループットが低く、リアルタイム監視機能がないため、アプリケーションの範囲が制限されます。 たとえば、毛細管装置は高粘度の流体の流れを評価するのに何時間もかかります。 回転粘度計は、サンプル流体中でスピンドルを回転させるのに必要なトルクの測定に基づいています。 これらは幅広い粘度に対応できますが、かさばり、高価で、大量の液体が必要になるという欠点があります。

特定の粘度範囲での流体の粘度に対する感度を高めるために、マイクロチャネル、懸濁マイクロチャネル共振器、振動カンチレバー、圧電共振器を備えた液滴ベースのマイクロ流体アプローチなどの高度なアプローチが提案されています。 しかし、広範囲のリアルタイム測定が可能な小型で低コストの粘度計の開発は依然として困難です。

Light: Advanced Manufacturing に掲載された新しい論文の中で、南方科技大学の Kwai Hei Li 教授率いる科学者チームは、チップスケールの GaN 光学デバイスと曲げ可能なストリップを統合した独自の粘度計設計を開発しました。

考えられる方法の中で、光ファイバー技術に基づく粘度測定がますます注目を集めています。 これは、コンパクトな構造、高速応答、電磁干渉に対する耐性を備えたセンシングヘッドの利点によるものです。 中空毛細管、粘度感受性蛍光プローブ、長周期ファイバーグレーティングなどの改良構造を備えた光ファイバープロービングが実証されています。 それらの実装は、外部の発光ユニットと検出ユニット、および光結合に使用される光学素子の組み立てに大きく依存します。

光ピンセットと干渉計プローブに基づく非接触測定により、少ないサンプル消費量で正確な粘度測定が可能になりますが、多くの場合、複雑で高価な顕微鏡セットアップが必要になります。 GaN 半導体とその合金は、効率が高く、寿命が長く、物理的安定性が高いため、発光デバイスを開発するための理想的なプラットフォームと考えられています。 最近、検出器や導波路などの他の光学デバイスが同じ GaN プラットフォーム上に統合されることが提案されています。 さらに、オンチップ可視光通信などの応用も実現されています。

要約すると、GaN 光学デバイスと曲げ可能なストリップを統合することにより、小型粘度計が設計されました。 振動周波数、長さ、ストリップの浸漬深さを含む粘度計の動作パラメータと構造パラメータが最適化されました。 厚さの異なる 3 つのストリップを使用した粘度計は、100 ～ 106 mPa・s の非常に広い粘度範囲を示しました。 21,000 サイクルにわたる高度な安定性とは別に、さまざまな粘度の実際の流体を区別する能力と、硬化時間中のエラストマーのリアルタイム監視が実証されました。 これは、提案された粘度計が実際の用途でさまざまな流体を迅速に分析できる可能性を証明しています。

光: 高度な製造

10.37188/lam.2023.002

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