بازنگری معادله ساوربری: دریافت هایی از مدلسازی چندپدیده ای میکروترازوی کریستال کوارتز به روش المان محدود

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1046-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1دانشگاه صنعتی شریف
2Institute for Nanoscience and Nanotechnology (INST), Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3Chemical Engineering and Petroleum Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
4Chemical and Petroleum Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده
میکروترازوی کریستال کوارتز یک حسگر وزن سنجی مبتنی بر موج آکوستیک سطحی است که به‌طور گسترده در زیست‌حسگری، آشکارسازی بخار و گاز، پایش لایه‌های نازک، مطالعات خوردگی، جذب پلیمر و تحلیل برهم‌کنش‌های سطحی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پژوهش، چارچوبی جامع برای شبیه‌سازی میکروترازوی کریستال کوارتز با روش المان محدود در نرم‌افزار کامسول ارائه شده است. مدل پیشنهادی با تلفیق مکانیک جامدات، پیزوالکتریسیته و الکترواستاتیک، رفتار تشدیدی کریستال را با دقت بالا پیش‌بینی می‌کند. اعتبارسنجی مدل با محاسبات تحلیلی، تطابق نزدیکی را نشان می دهد که بیانگر قابل اعتماد بودن این رویکرد است. همچنین تأثیر شعاع کریستال بر فرکانس تشدید بررسی شده و بینش‌هایی درباره حدود کاربرد معادله ساوربری به دست داده است. نتایج نشان می‌دهند که رابطه ساوربری در نسبت‌های پایین قطر به ضخامت، به علت اثر لبه فرکانس تشدید را کمتر از مقدار واقعی برآورد می‌کند و به نسبت دقت کمی دارد، در حالی‌که در نسبت‌های بالاتر، مقادیر شبیه‌سازی‌شده و تحلیلی با خطایی کمتر از 2.64 درصد هم‌خوانی دارند. در مجموع، چارچوب پیشنهادی موجب درک عمیق‌تر از رفتار میکروترازوی کریستال کوارتز شده و مسیر توسعه طراحی‌های دقیق‌تر و کارآمدتر حسگر را هموار می‌سازد.
کلیدواژه ها
 
Title
Revisiting the Sauerbrey Equation: Insights from Multiphysics FEM Simulation of QCM Crystals
Authors
Amirhossein Rabiee, Asadollah Kalantarian, Farhad Khorashe, Mohammad Bazargan
Abstract
The quartz crystal microbalance (QCM) is a versatile surface-acoustic-wave-based gravimetric sensor widely used in biosensing, vapor and gas detection, thin film monitoring, corrosion studies, polymer adsorption, and surface interaction analysis. In this work, a comprehensive finite element method (FEM) simulation framework for QCM crystals is presented using COMSOL Multiphysics. The model couples solid mechanics, piezoelectricity, and electrostatics to predict resonance behaviour with high accuracy. Validation against analytical calculations showed close agreement, confirming the reliability of the approach. The study further examines the influence of crystal radius on the resonance frequency constant, providing insights into the applicability of the Sauerbrey equation. Results confirm that the Sauerbrey relation underestimates resonance frequency at low diameter-to-thickness ratios because of the edge effect and has relatively low accuracy, while at higher ratios the simulated and analytical values agree within 2.64%. Overall, the proposed FEM framework deepens understanding of QCM behaviour and supports the development of more accurate and efficient sensor designs.
Keywords
Quartz Crystal Microbalance (QCM), Finite Element Method (FEM), Sauerbrey, Surface Acoustic Wave (SAW) Sensors