Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки

Министерство образования Российской Федерации

Нижегородский государственный технический университет

Дзержинский филиал

Факультет

Химико-механический

Кафедра

Автоматизация технологических процессов и производств

Магистерская диссертация

по теме:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация

измерительной установки.

Выполнил:

магистрант гр. 95-АТПМ-1

Ермаков Е. С.

Зав. кафедрой АТПП:

д.т.н., профессор

Сажин С.Г.

Научный руководитель:

д.т.н., профессор

Сажин С.Г.

г. Дзержинск

2001 г.

Содержание

Содержание 2

Введение 3

Литературный обзор 5

Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров 5

Некоторые задачи, решаемые ПАВ сенсорами 11

Конструкция экспериментальной ячейки 18

Описание приборов и материалов 21

Сопряжение частотомера с ЭВМ 35

Особенности задачи 35

Постановка задачи сопряжения 41

Преобразование уровня 43

Преобразование кода 44

Параллельные порты ввода/вывода. 53

Прерывания 56

Последовательный порт ввода/вывода 57

Разработка программного обеспечения устройства сопряжения 64

Математическое моделирование 70

Экспериментальные результаты 78

Экономическая часть 83

Техника безопасности 84

Выводы 85

Список использованных источников 86

Введение

В условиях современности проблема контроля за состоянием окружающей

среды выходит на все более ведущее место. Контроль этот осуществляется как

стационарными приборами, так и портативными. К стационарным приборам можно

отнести инфракрасные спектрометры, газовые хроматографы, массовые

спектрометры и некоторые другие. Работа портативных приборов основана на

использовании твердотельных преобразователей. Такие преобразователи

позволяют осуществлять миниатюризацию приборов, снижать потребляемую ими

мощность, а также дают возможность производить их с помощью технологии

микроэлектроники, ну а это - качество, надежность и возможность создания

многоточечных систем контроля. Разработка такого рода приборов является

актуальной проблемой микроэлектроники и автоматики. [1].

Химический твердотельный сенсор представляет собой микроэлектронное

устройство, которое преобразует изменение химических свойств среды или

состава среды в электрический сигнал [2]. Одним из наиболее перспективных

направлений в разработке химических сенсоров является создание устройств на

поверхностно-акустических волнах (ПАВ). ПАВ устройства привлекательны для

применения в качестве химических микросенсоров в силу своей

чувствительности, малого размера и дешевизны изготовления на основе

технологии микроэлектроники. Так же преимуществом ПАВ сенсоров является

высокая чувствительность скорости распространения поверхностно-акустической

волны к любым изменениям свойств поверхностного материала. Это объясняется

тем, что чувствительность таких сенсоров растет пропорционально квадрату

рабочей частоты прибора, а охватываемый диапазон рабочих частот изменяется

от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.

Необходимо отметить, что область применения ПАВ сенсоров достаточно

широка и разнообразна. Эти приборы также нашли свое применение в качестве

датчиков температуры и давления, а, кроме того, дают возможность проводить

исследование свойств различных полимерных пленок.

Литературный обзор

Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров

В своей основной форме химический микросенсор представляет собой по

меньшей мере два элемента: миниатюрная подложка и химически селективное

покрытие [10].

Подложка имеет контакт с покрытием и обеспечивает возникновение

электрического сигнала, чьи характеристики отражают состояние покрытия.

Покрытие имеет контакт со средой, содержащей химическое вещество,

которое должно быть обнаружено. Различия в свойствах покрытия, посредством

которых происходят те или иные химические взаимодействия, обеспечивают

перенос вещества или энергии через подложку [10].

Возникновение акустической волны достигается использованием ПАВ

покрытия, линии задержки и колебательного контура.

При адсорбции чувствительным покрытием определяемых веществ происходит

изменение характеристик поверхностно-акустической волны, таких как фазовая

скорость, амплитуда и частота. Происходит это вследствие изменения упругих

свойств чувствительного слоя и его электропроводности [1]. По этим

изменениям можно судить о концентрации примеси в среде.

ПАВ микросенсор представляет собой тонкую пластинку из отполированного

пьезоэлектрического материала (например, кварца, ниобата лития, танталата

лития), на которую нанесены две системы встречно-штырьевых преобразователей

(ВШП), одна из которых работает в качестве передающего преобразователя, а

вторая является принимающим преобразователем [2]. Края на обоих концах

пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления

отражения в направлении распространения первичной волны. Если на одну из

систем ВШП подается высокочастотное напряжение, то на поверхности пластинки

за счет обратного пьезоэффекта генерируется поверхностно-акустическая

волна. Эта волна затем распространяется вдоль поверхности пластинки до тех

пор, пока не попадет на другую систему ВШП, где она преобразуется обратно в

высокочастотное напряжение. Время задержки [pic] между входным и выходным

электрическими сигналами определяется по формуле:

[pic],

где l - среднее расстояние между системами ВШП,

v - скорость распространения поверхностно-акустической волны.

Максимальное акустоэлектрическое взаимодействие систем ВШП имеет место

при характеристической частоте [pic], определяемой следующим соотношением:

[pic],

где h - шаг ВШП [З].

Соединение двух ВШП через высокочастотный усилитель (рис. 1) дает

возможность данному устройству поддерживать колебательный процесс на

резонансной частоте при условии выполнения следующих требований:

набег фаз в кольце получающегося таким образом колебательного контура

составляет [pic], где n - целое число;

потери в линии задержки компенсируются усилителем [2].

Область распространения ПАВ между системами ВШП используется в

сенсорных устройствах в качестве чувствительной области. Любое изменение

физических параметров среды (температуры, давления) оказывает влияние на

рабочую частоту ПАВ прибора. Это явление используется в данном типе

датчиков в качестве сенсорного эффекта. В случае применении ПАВ приборов в

качестве химических газовых сенсоров на область распространения

поверхностно-акустической волны наносится чувствительное покрытие,

обладающее свойством селективно взаимодействовать с определяемым веществом.

Нанесение покрытия отражается в значительном ослаблении поверхностной волны

и соответствующем уменьшении резонансной частоты прибора. Было показано [2]

что изменение резонансной частоты, обусловленное наличием покрытия на

поверхности распространения поверхностно-акустической волны, описывается

следующим соотношением:

[pic],

где [pic] - сдвиг резонансной частоты за счет изменения чувствительным

покрытием скорости поверхностно-акустической волны,

[pic] и [pic] характеристики пьезоэлектрического материала,

[pic] - начальная резонансная частота,

h - толщина чувствительного покрытия,

[pic] - его плотность.

Не трудно заметить, что произведение [pic] - представляет собой массу

покрытия на единицу площади. Таким образом, изменение частоты поверхностно-

акустической волны зависит в первую очередь от двух факторов - массы

единицы площади пленки и механических свойств пьезоэлектрической подложки.

Применение слишком толстых пленок отражается в чрезмерном ослаблении

скорости поверхностно-акустической волны и последующем затухании колебаний.

Было установлено, что наиболее приемлемой является толщина пленки,

составляющая (1% от длины волны. В этом случае способность покрытия

адсорбировать определяемые вещества достаточно велика, чтобы обеспечить

хорошую чувствительность. С другой стороны такая толщина покрытия не

приводит к затуханию колебаний.

В результате адсорбции газов чувствительным покрытием изменяются

свойства среды распространения поверхностно-акустической волны, а,

следовательно, и ее характеристики.

В общем случае, для определения концентрации газов можно измерять

изменение амплитуды, скорости или частоты поверхностно-акустической волны.

Наиболее простым, надежным, а самое главное точным методом является

измерение сдвига частоты. То есть в качестве сенсорного эффекта в данном

типе датчиков используется различие рабочих частот поверхностно-

акустической волны прибора в различных средах.

Некоторые задачи, решаемые ПАВ сенсорами

В работе [6] авторами решена задача классификации ароматов и

определения степени свежести пищевых продуктов по запаху с использованием

аналитической микросхемы, работающей на принципе измерения скорости

поверхностно-акустической волны. Описывается микросистема для исследования

запахов и ароматов, основанная на использовании набора пьезоэлектрических

резонаторов с покрытиями, селективно сорбирующими пары определяемых

соединений из атмосферы. Полученный прибор состоит из восьми резонаторов,

колеблющихся с разной частотой в интервале от 380 до 433 МГц и имеющих

разные чувствительные покрытия.

Также было исследовано [7] воздействие линейных и разветвленных

углеводородов на ПАВ сенсоры с чувствительными покрытиями на основе пленок

фторированных полиамидов. В ходе исследования было выявлено, что такие ПАВ

сенсоры могут быть использованы для обнаружения линейных и разветвленных

углеводородов, так как линейные углеводороды, проникая в пленку, дают

изменение массы пленки на два порядка большее, чем соответствующие им

разветвленные изомеры, что приводит к изменению частоты.

В работе [8] найден способ и приведена конструкция устройства для

обнаружения душистых веществ в воздухе. Устройство представляет собой

систему, которая состоит из набора полупроводниковых и ПАВ сенсоров. В

статье даны результаты сравнения двух сортов кофе и двух видов духов. Также

был проведен анализ составляющих запахов оливкового масла, столового вина,

наркотиков (морфин, кокаин и др.), различных взрывчатых веществ, пищевых

корковых пробок, тела человека и запаха животных.

В работе [13] рассматривались поверхностно-акустические устройства,

покрытого тонким слоем хемоселективного материала. Такие устройства

являются высокочувствительными химическими сенсорами для обнаружения и

мониторинга паров и газов. Также в данной работе дана оценка ПАВ устройств

с различными материалами, использующимися в качестве покрытия и устройств,

покрытых различными способами. В процессах описанных в работе исследований

применялся новый способ лазерного выбивания с использованием матрицы и

пульсирующего лазера. На чувствительную область ПАВ сенсора кроме всего

прочего наносился пасcивирующий слой углерода. В работе определены и

представлены электрические характеристики и различные параметры устройств

для обнаружения различных газов.

В работе [11] представлен сенсор для обнаружения по месту и измерения

низких концентраций газообразной ртути. Принцип действия сенсора основан на

использовании генератора колебаний ПАВ и двойной линии задержки с золотым

покрытием. Газообразная ртуть избирательно реагирует с золотой пленкой,

образуя амальгаму. В результате увеличивается масса пленки, которая

вызывает уменьшение частоты колебаний. Измерение концентрации газа

производится различием отклика сенсора при комнатной температуре и

температуре, при которой достигается динамическое равновесие реакция

амальгамирования и десорбции. Значение величины равновесия достаточно

сильно зависит от концентрации газа. Таким образом, частота генератора

колебаний в линии задержки может служить чувствительной мерой концентрации

газообразной ртути.

В работе также представлен график зависимости отклика сенсора от

концентрации газообразной ртути в диапазоне 10-9. Также проанализированы

такие особенности отклика сенсора как форма отклика, величина отклика,

время отклика и линейность при 25 0С и 200 0С.

В работе [15] рассмотрен ПАВ сенсор в качестве гравиметрического

сенсора. В этой работе изучалась адсорбция и десорбция хлорбензола, о-

дихлорбензола и хлороформа в поли[n-бутилметакрилате] (ПБМА) при помощи ПАВ

сенсора и с помощью методов гравиметрического анализа (ГМА) с

использованием полимерных пленок. Процессы сорбции анализировались с

помощью модели Фикиана и были получены коэффициенты наилучшего разделения и

диффузии. Экспериментальные данные хорошо соответствовали модели.

Коэффициенты разделения, полученные из отклика ПАВ, не зависели от толщины

покрытия и были в 2 – 3 раза выше, чем коэффициенты разделения, полученные

из отклика гравиметрического сенсора. В противоположность этому,

коэффициенты диффузии увеличивались линейно в зависимости от толщины

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6