প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/পিজোইলেকট্রিক শব্দ সংবেদক

ভূমিকা

পাইজোইলেকট্রিক শব্দ তরঙ্গ (অ্যাকুস্টিক ওয়েভ) প্রযুক্তি প্রায় ৬০ বছরেরও বেশি সময় ধরে ব্যবহৃত হয়ে আসছে। এই প্রযুক্তির বহুবিধ ব্যবহার রয়েছে—চাপ, রাসায়নিক ঘনত্ব, তাপমাত্রা অথবা ভর সংবেদক হিসেবে। এদের শনাক্তকরণ প্রক্রিয়া শব্দ তরঙ্গের প্রচারভিত্তিক। একটি শব্দ তরঙ্গ উদ্দীপ্ত হয় এবং বস্তুটির মধ্য দিয়ে বা তার পৃষ্ঠতলে প্রবাহিত হয়। প্রচারপথের বৈশিষ্ট্যে পরিবর্তনের ফলে তরঙ্গের বেগ এবং/অথবা প্রশস্ততা পরিবর্তিত হয়। এই বেগ/প্রশস্ততা পরিবর্তন সংবেদকের স্বাভাবিক কম্পাঙ্ক বা পর্যায় বৈশিষ্ট্য পরিমাপের মাধ্যমে নিরীক্ষণ করা যায়, যা সংশ্লিষ্ট শারীরিক বা রাসায়নিক রাশির সাথে সম্পর্কযুক্ত করা যায়। ^[১] অ্যাকুস্টিক ওয়েভ সংবেদকসমূহ পাইজোইলেকট্রিক পদার্থ ব্যবহার করে শব্দ তরঙ্গ তৈরি ও শনাক্ত করে। পাইজোইলেকট্রিক পদার্থসমূহ তড়িৎ ও যান্ত্রিক প্রতিক্রিয়ার মধ্যে রূপান্তরের মাধ্যমে তড়িৎ সংকেতকে যান্ত্রিক শব্দ তরঙ্গে এবং বিপরীতভাবে রূপান্তর ঘটায়। প্রচলিত পাইজোইলেকট্রিক পদার্থের মধ্যে রয়েছে স্ফটিক (কোয়ার্টজ), লিথিয়াম নাইওবেট (LiNbO₃), অ্যালুমিনিয়াম নাইট্রাইড (AlN), এবং লিথিয়াম ট্যানটালেট (LiTaO₃)।

শব্দ তরঙ্গের প্রচার ধরণ

পাইজোইলেকট্রিক অ্যাকুস্টিক ওয়েভ যন্ত্রসমূহ তরঙ্গের প্রচারের ধরণ অনুসারে শ্রেণিবদ্ধ করা হয়, যেগুলো একটি পাইজোইলেকট্রিক স্তর বা স্তরের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়। যদি তরঙ্গটি স্তরের পৃষ্ঠতলে প্রবাহিত হয়, তবে সেটিকে বলা হয় পৃষ্ঠ তরঙ্গ (সার্ফেস ওয়েভ); আর যদি তরঙ্গটি স্তরের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়, তবে তাকে বলা হয় ভলিউম বা বাল্ক তরঙ্গ।

সংবেদক যন্ত্রে যান্ত্রিক তরঙ্গ

সংবেদক ব্যবহারের জন্য যান্ত্রিক তরঙ্গ দুই ধরণের হয়ে থাকে: কাপন তরঙ্গ (shear waves) ও সংকোচন তরঙ্গ (compressional waves)। কাপন তরঙ্গ (বা S তরঙ্গ) হলো এমন তরঙ্গ যেখানে কণাগুলোর সরণ তরঙ্গের গতিপথের লম্বভাবে ঘটে, যেমন পৃষ্ঠ জলের তরঙ্গে দেখা যায়। সংকোচন তরঙ্গ (বা P তরঙ্গ) হলো এমন তরঙ্গ যেখানে কণার সরণ তরঙ্গের গতিপথের সাথে সমানুপাতিক থাকে।^[২]

শব্দ তরঙ্গ প্রযুক্তি

পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ (SAW) এবং বাল্ক শব্দ তরঙ্গ (BAW) হলো সংবেদক ব্যবহারে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত দুইটি প্রযুক্তি।

পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ (SAW)

পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ যন্ত্রের কার্যকারিতা কম্পাঙ্ক MHz থেকে GHz পর্যন্ত বিস্তৃত, যা ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসারের (IDT) নকশা ও পাইজোইলেকট্রিক পদার্থের উপর নির্ভর করে। ^[৩]:

f_{res}={\frac {V_{R}}{\lambda }}

যেখানে $V_{R}$ হলো রেইলি তরঙ্গের বেগ, যা পদার্থের বৈশিষ্ট্য দ্বারা নির্ধারিত হয় এবং λ হলো তরঙ্গদৈর্ঘ্য যা IDT-র পর্যায়বৃত্ততা দ্বারা নির্ধারিত।

নীচের চিত্রটি পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ (SAW) ডিলে-লাইন কনফিগারেশন প্রদর্শন করছে, যা দুটি ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসার নিয়ে গঠিত; একটিকে প্রেরক এবং অপরটিকে গ্রাহক হিসেবে ব্যবহার করা হয়। ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসার গুলোর মধ্যে স্থানটি ডিলে লাইন নামে পরিচিত। যখন IDT-তে বিকল্প মেরুতার সাথে তড়িৎ সংকেত প্রয়োগ করা হয়, তখন পাইজোইলেকট্রিক প্রভাবের কারণে ইলেকট্রোডগুলোর মধ্যে টান ও সংকোচনের অঞ্চল তৈরি হয়, যা একটি যান্ত্রিক তরঙ্গ উৎপন্ন করে। তরঙ্গটি দুইদিকে প্রবাহিত হয়, তবে কেবল অর্ধেক শক্তিই আউটপুট ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসারের দিকে প্রবাহিত হয়।^[৪] ডিলে-লাইন হলো সংবেদন এলাকা; সাধারণত সংবেদক উপাদান এখানে স্থাপন করা হয় যাতে এটি লক্ষ্য পদার্থ শোষণ করে।

IDT ইলেকট্রোডের বিপরীত মেরুতার ফলে তৈরি হওয়া পৃষ্ঠ তরঙ্গ

নীচের অ্যানিমেশনটি হলো COMSOL ব্যবহার করে পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ যন্ত্রের দ্বিমাত্রিক কাঠামোর সময়-ডোমেইন সিমুলেশন। x,y অক্ষ মডেলের অবস্থান নির্দেশ করে। উপরিভাগের ছোট আয়তক্ষেত্রগুলো হলো ইলেকট্রোড।

সংবেদক প্রতিক্রিয়া

পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ ডিলে লাইনের মাধ্যমের পৃষ্ঠ বৈশিষ্ট্যের পরিবর্তনের প্রতি সংবেদনশীল, যা তরঙ্গের বেগ ও প্রশস্ততায় পরিবর্তন ঘটায়।

তরঙ্গ বেগকে বিভিন্ন উপাদান দ্বারা প্রভাবিত করা যেতে পারে, প্রতিটি পরিবর্তন একটি সম্ভাব্য সংবেদক প্রতিক্রিয়া হিসেবে কাজ করে:^[৫]

{\frac {\delta v}{v_{0}}}={\frac {1}{v_{0}}}({\frac {\delta v}{\delta m}}\Delta m+{\frac {\delta v}{\delta c}}\Delta c+{\frac {\delta v}{\delta T}}\Delta T+...)

যেখানে $v_{0}$ হলো অপরিবর্তিত তরঙ্গ বেগ, $m$ হলো ভর, $T$ হলো তাপমাত্রা, এবং $c$ হলো কঠোরতা।

এই ধরণের যন্ত্র ভর, চাপ এবং তাপমাত্রা পরিমাপের জন্য ব্যবহৃত হতে পারে।

ভর সংবেদক

পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ (SAW) সংবেদকের একটি সাধারণ প্রয়োগ হলো ভর সংবেদক।

ব্যবহারের উদাহরণ: গ্যাস সংবেদক, জৈব সংবেদক

সংবেদক উপাদান দুটি ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসারের মাঝখানের প্রচারপথে স্থাপন করা হয়। লক্ষ্য পদার্থ (যেমন লক্ষ্য গ্যাস) এর সংস্পর্শে এলে, সংবেদক উপাদান কেবল সেই পদার্থ শোষণ করে, যার ফলে ভর বৃদ্ধি পায় এবং ভর লোডিংয়ের কারণে তরঙ্গ বেগ হ্রাস পায়। এটি ডিলে সময়ে পরিবর্তন ঘটায়।^[৬]

\tau ={\frac {L_{path}}{V_{R}}}

যেখানে $L_{path}$ হলো তরঙ্গ প্রচারপথের দৈর্ঘ্য। গ্রাহক ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসারে ডিলে সময় পরিবর্তন অনুসরণ করে লক্ষ্য পদার্থের ঘনত্ব নির্ণয় করা যায়।

\Delta \tau ={\frac {L_{path}}{V_{R}}}-{\frac {L_{path}}{V_{R^{'}}}}\propto concentration

সমতুল্য বর্তনী

ম্যাসনের ক্রসড-ফিল্ড মডেল ব্যবহৃত হয় ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডিউসারের ফিঙ্গারের একটি পর্বের সমতুল্য বৈদ্যুতিক বর্তনী তৈরি করতে।^[৭] কম্পাঙ্ক-নির্ভর রোধ ব্লক ব্যবহৃত হয়। পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ যন্ত্রের কেন্দ্র কম্পাঙ্কে রোধ সর্বনিম্ন এবং অন্যান্য কম্পাঙ্কে খুব বেশি। ফলে ইনপুট শক্তি কেবল অনুরণন কম্পাঙ্কের কাছাকাছি কম্পাঙ্কেই প্রবাহিত হয়। নিচের সমতুল্য বর্তনীটি ADS ব্যবহার করে বাস্তবায়িত হয়েছে।

টেমপ্লেট:Plain image with caption

বাল্ক অ্যাকৌস্টিক তরঙ্গ

বাল্ক অ্যাকৌস্টিক তরঙ্গ হলো এমন একটি তরঙ্গ যা একটি পাইজোইলেকট্রিক (চাপবিদ্যুত্‌ বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন) পদার্থের ভেতর দিয়ে চলাচল করে, যেমন কোয়ার্টজ ডিলে লাইন (Quartz Delay Line)। একে ভলিউম অ্যাকৌস্টিক তরঙ্গও বলা হয়। কিছু পদার্থে, বাল্ক অ্যাকৌস্টিক তরঙ্গের তরঙ্গগত গতি পৃষ্ঠ অ্যাকৌস্টিক তরঙ্গের তুলনায় বেশি হয় কারণ পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ (Surface Acoustic Wave) অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ(Longitudinal) এবং কাঁচি তরঙ্গের (Shear Wave) সমন্বয়ে গঠিত, যার ফলে এর গতি কম হয়। বাল্ক অ্যাকৌস্টিক তরঙ্গ কেবল অনুদৈর্ঘ্য বা কাঁচি তরঙ্গ নিয়ে গঠিত, তাই এগুলোর গতি তুলনামূলকভাবে বেশি হয়।

কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল মাইক্রোব্যালেন্স (QCM) প্রযুক্তি

কোয়ার্টজ ক্রিস্টাল মাইক্রোব্যালেন্স (QCM) প্রযুক্তি হলো ভরের সংবেদকের জন্য প্রাচীনতম ও সবচেয়ে সহজ শব্দ তরঙ্গ যন্ত্র। এটি AT-কাট কোয়ার্টজের একটি পাতলা চাকতি নিয়ে গঠিত, যার উভয় পাশে সমান্তরাল বৃত্তাকার ইলেকট্রোড বিদ্যমান। এই ইলেকট্রোডগুলোর মধ্যে ভোল্টেজ প্রয়োগ করলে স্ফটিকের মধ্যে কাঁচি প্রকারের বিকৃতি ঘটে ^[৮]।

এর কার্যপদ্ধতি ভর-লোডিংয়ের উপর ভিত্তি করে তৈরি, যা পৃষ্ঠ শব্দ তরঙ্গ সংবেদকের অনুরূপ। সংবেদনযোগ্য স্তরে লক্ষ্য বিশ্লেষকের (analyte) ভরীয় শোষণের ফলে স্ফটিকের কার্যকর ভর বৃদ্ধি পায়, যা স্ফটিকের অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সি হ্রাস করে, এবং এই ফ্রিকোয়েন্সি হ্রাস লক্ষ্য বিশ্লেষকের ঘনমাত্রার সাথে সরাসরি অনুপাতে সম্পর্কিত। আদর্শ সংবেদন উপাদানের ক্ষেত্রে এই শোষণ প্রক্রিয়াটি সম্পূর্ণরূপে উল্টাযোগ্য (reversible) এবং দীর্ঘমেয়াদী কোনো বিচ্যুতি তৈরি করে না, ফলে এটি অত্যন্ত নির্ভরযোগ্য ও পুনরাবৃত্তিমূলক পরিমাপ প্রদান করে^[৯]।

ফ্রিকোয়েন্সি পরিবর্তন ও ভর-লোডিংয়ের সম্পর্ক প্রফেসর ড. গুন্টার সাউরব্রে (Günter Sauerbrey) কর্তৃক ১৯৫৯ সালে জার্মানির টিফেনঅর্টে উন্নীত একটি মডেল দ্বারা ব্যাখ্যা করা হয়:

$\Delta f=-{\frac {2f_{0}^{2}}{A{\sqrt {\rho _{q}\mu _{q}}}}}\Delta m$ ^[১০]

$f_{0}$ - অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সি, যা তরঙ্গের গতি (v) ও পাইজোইলেকট্রিক পদার্থের পুরুত্ব (d) এর উপর নির্ভরশীল, $f_{0}={\frac {v}{2d}}$
$\Delta f$ - ফ্রিকোয়েন্সি পরিবর্তন
$\Delta m$ - ভর পরিবর্তন
$A$ - সক্রিয় এলাকা
$\rho _{q}$ - পাইজোইলেকট্রিক পদার্থের ঘনত্ব
$\mu _{q}$ - পাইজোইলেকট্রিক পদার্থের শিয়ার গুণাঙ্ক (shear modulus)

পাতলা-স্তর বাল্ক অ্যাকৌস্টিক অনুরণক (FBAR) প্রযুক্তি

FBAR হলো QCM-এর একটি বিশেষ রূপ যেখানে পাইজোইলেকট্রিক পাতের পুরুত্ব কয়েক মাইক্রোমিটার থেকে দশমিক মাইক্রোমিটার পর্যন্ত হয় এবং এটি MEMS (মাইক্রোইলেকট্রোমেকানিক্যাল সিস্টেম) প্রযুক্তি ব্যবহার করে তৈরি করা হয়। এরা ১০ গিগাহার্জ পর্যন্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে অনুরণন করে। এদের ভর সংবেদনশীলতা তাদের অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সির সাথে সমানুপাতিক। FBAR QCM-এর তুলনায় ৩ গুণ বেশি ভর সংবেদনশীলতা অর্জন করতে পারে।

তথ্যসূত্র

↑ Hoang T 2009, "Design and realization of SAW pressure sensor using aluminium nitride", Dissertation, University Joseph Fourier, France
↑ (60), H., (69), J., & (68), R. (n.d.). "Mechanical waves and shear wave induction in soft tissue", Steemit, 13 April 2018, https://steemit.com/ultrasonography/@hagbardceline/mechanical-waves-and-shear-wave-induction-in-soft-tissue
↑ H. Wohltjen, “Mechanism of operation and design considerations for surface acoustic wave device vapour sensors,” Sensors and Actuators, vol. 5, no. 4, pp. 307 – 325, 1984.
↑ Kirschner J 2010, "Surface acoustic wave sensors (SAWS): design for application", www.jaredkirschner.com
↑ Ricco, A.j., et al. “Surface acoustic wave gas sensor based on film conductivity changes.” Sensors and Actuators, vol. 8, no. 4, 1985, pp. 319–333., doi:10.1016/0250-6874(85)80031-7.
↑ H. Wohltjen, “Mechanism of operation and design considerations for surface acoustic wave device vapour sensors,” Sensors and Actuators, vol. 5, no. 4, pp. 307–325, 1984.
↑ Trang Hoang. "Design and realization of SAW pressure sensor using Aluminum Nitride", Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009
↑ Hoang T 2009 Design and realization of SAW pressure sensor using aluminium nitride Dissertation University Joseph Fourier, France
↑ http://www.michell.com/us/technology/quartz-crystal-microbalance.htm
↑ Sauerbrey, Günter (এপ্রিল ১৯৫৯), "Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung", Zeitschrift für Physik, 155 (2): 206–222, doi:10.1007/BF01337937, বিবকোড:1959ZPhy..155..206S

[1] Hoang T 2009, "Design and realization of SAW pressure sensor using aluminium nitride", Dissertation, University Joseph Fourier, France

[2] (60), H., (69), J., & (68), R. (n.d.). "Mechanical waves and shear wave induction in soft tissue", Steemit, 13 April 2018, https://steemit.com/ultrasonography/@hagbardceline/mechanical-waves-and-shear-wave-induction-in-soft-tissue

[3] H. Wohltjen, “Mechanism of operation and design considerations for surface acoustic wave device vapour sensors,” Sensors and Actuators, vol. 5, no. 4, pp. 307 – 325, 1984.

[4] Kirschner J 2010, "Surface acoustic wave sensors (SAWS): design for application", www.jaredkirschner.com

[5] Ricco, A.j., et al. “Surface acoustic wave gas sensor based on film conductivity changes.” Sensors and Actuators, vol. 8, no. 4, 1985, pp. 319–333., doi:10.1016/0250-6874(85)80031-7.

[6] H. Wohltjen, “Mechanism of operation and design considerations for surface acoustic wave device vapour sensors,” Sensors and Actuators, vol. 5, no. 4, pp. 307–325, 1984.

[7] Trang Hoang. "Design and realization of SAW pressure sensor using Aluminum Nitride", Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009

[8] Hoang T 2009 Design and realization of SAW pressure sensor using aluminium nitride Dissertation University Joseph Fourier, France

[QCM-9] ttp://www.michell.com/us/technology/quartz-crystal-microbalance.htm

[Sauerbrey-10] Sauerbrey, Günter (এপ্রিল ১৯৫৯), "Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung", Zeitschrift für Physik, 155 (2): 206–222, doi:10.1007/BF01337937, বিবকোড:1959ZPhy..155..206S

[১]

[২]

[৩]

[৪]

[৫]

[৬]

[৭]

[৮]

[৯]

[১০]