Doubling the Quality Factor of Cantilevers in Liquid Through Fluid Coupling‐based Actuation

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Authors

Leahy, Stephane
Lai, Yongjun

Date

2018

Type

journal article

Language

en

Keyword

Dynamic-mode Cantilevers

Research Projects

Organizational Units

Journal Issue

Alternative Title

Abstract

Dynamic‐ode cantilevers are a promising tool for real‐time biosensing applications due to their high sensitivity  and  ability  to  perform  label‐free measurements.  However,  operating dynamic-mode cantilevers in liquid is challenging since viscous damping greatly reduces their quality factor and thus limit of detection. We reasoned through physical analysis that if the motion of the surrounding fluid is driven by an external force and not by the sensing cantilever itself, then the dissipative fluid force on the cantilever could be reduced and the quality factor of the cantilever could be increased. Here we demonstrate a new fluidcoupling-based actuation method where one piezoelectric cantilever (directly  excited)  is  used  to  excite  another  closely  located  cantilever  (indirectly  excited)  through  vibrations  transferred  through the surrounding medium. We performed measurements in several mediums, including air, water, ethanol, and acetone and observed that the viscosity of the medium influences the effectiveness of fluid coupling-based actuation. We also observed that fluid coupling‐based actuation is more effective for the first bending mode of the cantilever, likely since fluid motion decays with distance from the tip of the directly excited cantilever. A significant result is that the indirectly excited cantilever has a quality factor that is double that of the directly excited one for the first bending mode in water.  This method could improve the performance of dynamic‐mode cantilevers operated in liquid. 

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