Датчик для измерения парциального давления кислорода

 

1.ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА, содержащий расположенные на поверхности пьезоэлектрической подложки измери- .тельньй и компенсирующий тракты распространения поверхностных акустических волн с газочувствительным эле ментом, размещенным в измерительном тракте, отличающийся тем что, с целью повьштения точности измерения парциального давления кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, в компенсирующий введен газочувствительньй элемент, выполненньш из металлоокисного полупроводника в виде уплотненного керамического слоя, а га зочувствительный элемент-В измерительно м тракте выполнен из металлоокисного полупроводника в виде пористого керамического слоя, причем оба элемен-. та выполнены с толщиной не менее де- i баевской длины в полупроводнике. 2. Датчик по П.1, отличаю (Л щийся тем, что газочувствительные элементы в измерительном и компенснрующих трактах размещены с воздушным зазором не более длины поверхностной акустической волны но отношению к поверхности подложки.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИX

РЕСПУБЛИН (19) (11) д11 4 С Ol N 29/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHQMY СВИДЕЧ ЕПЬСТВУ у

ГОСУДАРСТНЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ(ТИЙ (21) 3626938/24-25 (22) 27.07.83 (46) 15.11.85.Бюл. I(42 (71) Институт электроники АН БССР (72) В.М,Колешко и И.В.Мешков .(53) 534..532.6(088.8) (56) Макаров В.М. и др. Частотные датчики механических величин на

IIAB-структурах. -Сегнето- и пьезоматериалы и их применение. М.:МДНТП, 19?8, с.59-62.

А.Bryant, D.L .Lee and I.F.Vetelino А surface acoustic wave gas detector 1981. Ultrasonics Symposium Proc«

cedings, 1981, р.172, Fig.1. (54)(57) 1.ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА, содержащий расположенные на поверхности пьезоэлектрической подложки измери.тельный и компенсирующий тракты распространения поверхностных акустических волн с газочувствительным элементом, размещенным в измерительном тракте, о т л и ч а ю щ п и с я тем что, с целью повышения точности измерения парциального давления кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, в компенсирующий тракт введен газочувствительный элемент, выполненный из металлоокисного полупроводника в виде уплотненного керамического слоя, а газочувствительный элемент.в измерительном тракте выполнен из металлоокисного полупроводника в виде пористого керамического слоя, причем оба элемента выполнены с толщиной не менее дебаевской длины в полупроводнике.

2. Датчик по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что газочувствительные элементы в измерительном и компенсирующих трактах размещены с воздушным зазором не более длины поверхностной акустической волны по отношению к поверхности подложки.

1191817

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания(ДБС) транспортных средств, в частности в 5 качестве датчика отношения количества воздуха к количеству топлива в рабочей смеси (В/Т-отношения ).

Цель изобретения — повышение точности измерения па! циального давления кислорода в выхлопных газах ДБС.

11л фиг. 1 представлен предлагаемый датчик; на фиг. 2 — то »te, нид сверху.

Датчик содержит пьезоэлектрическую!5 !!одло>кку на поверхности которой! вьгполнены две пары встречно-штыревых преобразователей (ВЛГ!) поверхностных акустпч»ских волн (ПЛВ ) 2-3 и 4-3 соответствепно, образующих соотгзетст- 20 венно измерительный (2-3) и компенсиру!ощий (4 I трлкты p7спрострлне-. ния ПЛБ. !Iутем вкпюче>шя кл>кдого из трактов в цепь обрлтrtc>é связи соо f ветствующих усшштелей б н 7 образованы ПЛБ-генераторы. Быходны» сигналы 1!ЛВ-генераторов подаются на сме ситель 8, вьгкод которого нлг!>укен нл фильтр ш!эких частот (Ф!!Ч ) 9.

Б пзм»рительном тракте между вход-30 ным 2 и выходным 3 БШП ПЛБ размещен газо !увствительн>ги элемент нэ чувствнтез!ьио! о к кислороду метлллоокисного полупроводника в виде порнстогo к»рами !еского слоя 10. Лнллогичным образом в компенсирующем тракте te>t ду входным 4 и выходным 5 БШП ПЛБ размещен элемент из такого >ке металлоокисного полупроводника 1l виде уплотненного керлмического споя 11. 40

Обл элемента выполнены с толщиной не менее дебаевской длины в полупроводнике. Слои 10 и il газочувствительных элементозз могут быть размещены с воздушным зазором !2 не более длзшы 45

ПАВ по отношению к по!зерхностн подложки °

113M»pe!tH» парциллы!ого давления кислорода Р!3 даьнпrM датчиком осуществляется следую!!>з!м образом. 50

Возбужденные входным БШГ! 2 и прошедшие по поверхности подложк 1 ПЛБ принимаются в!яходным БШП 3, Частота, при которой происходит возбуждение

ПАВ-генератора, образованного усили- 55 телем 6 (с коэффициентом усиления, достаточным для компенсации потерь в звукопроводе ) с включешгым в цепь его обратной связи измерительным трактом 2-3, описывается уравнением

Z ll t3 = г>.> I (i> + g где !> — частота генерации;

L — рабочая длш!л звукопровода; электрический сдвиг фазы во БШП 2 и 3 и усилителе б.

Датчик устанавливается в выпускном трубопроводе Д!3С и нагревается до рабочей температуры отработавшими гл.зами либо с помощью зигзагообразных нагревательных элементов (не показаны l, размещл»мых нл внешних поверхностях керамических слоев

10 и !1. Боздействию отработавших глзов нодв»рглется 1!не!11н!!я (н» обращенпля к подло кк» ) сторонл слоев 10.и 11 керамических элементов, ttor3»pxtrocть же г!ддз!Ожки I может быть нри этом надежно изолиро-! з лил.

IIsMette»tIe эпектроиро!зодности поликристллз!ичеcrcHx метллпîoêèñHûõ

rroJtyttpor3oJrrtttIcnl3 при хемосорбции мол»кул кислородл обус!QI3JIprro поверхtroc7rtI,rMtr я!3п»пнями в мног о шсленн ы х к О н т л к Т1 ы х о б г! л с т я х M pr >rcä с 7 1> у к турны!!н зернами. Б»:ltt rtttta проводи! roc TH полупроводник л где q — злряд носите>7!1, ! — коэффици»нт, зависящий от формы блрь»ра; и . — ко>!цен трлция 1toctr7 елей заряда вблизи барьера, !

1 — с!исз!о б>ар!»ров нл с! JIJIH— ны обрлз;;r; — высота бары рл; ! (— t to c7 ost t»r as! hoл ьцмлнл, Т вЂ” темп»рлтурл слоя 10.

I1pH хек!Осорбци!1 tt;3. но13»рхности нолупро>зодника и-гнил молекул кислорода происходи! увеличение 1!отенциальных барьеров и местах контактов между отде>яьн! 1ми зерна. Ill IIQJIHlcpHc таллической структуры слоя 10, что вызовет уменьше!1ие количества злектронов проводимости н полупроводнике и, следовательно, уменьшение проводимог.ти слоя 10. Зависимость электропроводности слоя 10 от изменения концентрации кислорода d C имеет вид

1191817 4 параметров распространения ПАВ рассчитывается на основе выражения (ас 1

6=> erp

Кт где р — коэффициент, характеризующий влияние изменения концентрации кислорода на изменение высоты потенциальных барьеров.

1О

Для максимального изменения электропроводности слоя 10 и минимального времени установления равновесия в материале слоя (повышения быстродействия датчика ) необходимо иметь возможно большую поверхность слоя, l5 на которой происходит контакт с газовой фазой. Поэтому газочувствительный элемент выполнен в виде мелкозернистого высокопористого полупроводника керамического слоя, получаемого, например, спеканием шихты из мелкодисперсных порошков полупроводниковой керамики при высоких температурах.

Б качестве металлоокисных полупроводников, чувствительных к кислороду, используют соединения окислов и-типа или р-типа, в частности

Pb(Zr,Òi)О, 11„0 -ZrO>, rpe II=Se,Yb, Y,Sm,Ln,SnO °

Таким образом, при изменении парциального давления кислорода Р в выхлопных газах ДВС сопротивление ,пористого элемента резко изменяется, например для Т10 более, чем íà 3S

3 порядка, если стехиометрическое значение 0 смеси изменяется от значения, соответствующего бедной смеси, до значения, соответствующего богатой смеси. . 40

Распространение на поверхности пьезоподложки 1 в измерительном тракте ПАВ сопровождается распространением связанного с ней электрического поля, примыкающего в полупроводнико- 4> вый слой 10. Взаимодействие электрического поля ПАВ со свободными носителями заряда в полупроводниковом слое 10 изменяет фазовую скорость

Ч ПАВ. Следовательно, изменение парциального давления кислорода Pg приводит к изменению проводимости 5 слоя

10, т.е. количества свободных носителей в нем, что в свою очередь вызывает изменение фазовой скорости

U IIAB и, как следует из (! 1, приводит к изменению частоты IIAB-генератора измерительного тракта. Изл1енвние

4 „Кэ o(1- ЕЬ| ) 1+) >O

+ K,

P . (т (т 1 )1Р

h o o !xx yq о р Р где р и д р- постоянная распространения ПАВ и ее изменение;

1(— коэффициент электромеханической связи; „иj„, диэлектрические постоянт т ные подложки;

z — поверхностный импеданс полупроводникового слоя

11;

Е - диэлектрическая постоянная свободного пространства; и — величина воздушного зазора 12.

Исходный рабочий диапазон удельной проводимости полупроводникового слоя 10 выбирается в пределах от $,„ 10 "Ом "см (выше которой происходит практически полное закорачивание проникающего в слой 10 электрического поля, сопровождающего ПАВ) н до о .„"10 Ом "см "(ниже которой число свободных носителей заряда в полупроводниковом слое 10 настолько мало, что оно практически не влияет на скорость распространения U IIAB).

Для подложки 1 из LiNbO величина относительного изменения скорости ПАВ достигает 2Х и выше при изменении. Р!„ от значения, соответствующего бедной . (Р -10 .0,1 ИПа), до значения, соответствующего богатой (PD -10 .0,! МПа) смеси.

Исходная электропроводность b слоя

10 регулируется путем введения различных легирующих добавок (ZnO, благородные металлы и т.д. ).

Время установления равновесия в материале газочувствительного слоя сильно зависит от пористости керамики. Уплотненная керамика слоя 11 в компенсирующем тракте, выполненная из того же металлоокисного полупроводника как и слой 10, имеет

1191817 гй.1г Я) — + — 3,, 7) ри8. Я

Составитель В.Екаев

Редактор И.Келемеш Техред И.Лсталош Корректор Т.Колб

Заказ 7151/41 . Тираж 896 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 в несколько раз (3-5) больше зерна и меньшую плотность, чем пористая керамика слоя 10, что замедляет установление равновесия при изменении

Р12 до такой степени, что уплотнен2 ная керамика становится не чувствительной к изменениям Р при часто02 тах регулирования, применяемых в

ДБС (1-2 Гц . Следовательно, дестабилизирующее влияние изменешш окружающей температуры, одинаковым образом изменяющей проводимость слоев 10 и 11, вызывает идентичные изменения скорости V ПАБ и частоты

ПАВ-генераторов в обоих трактах. Изменение же Р11 воздействует только г па частоту ПАВ-генератора в II !.!ерг .—, телыком тракте, которая контрол|1руется пугем 1 Ie!I!e!IIIII частот измерительного и компенсирующего ПАВ-генераторов в смесителе 8 11 выдепеппя разнос l 1101! I Ic roTI I (j)IVII 1 po* 9.

Вслпч и1;1 ВОздушпог0 зазора !1 определяет o!1х1 ективность взаимодействия ПАВ с носителями заряда в слоях

10 и I 1, а, так как а1п1лптуда электрического пол» ПАВ затухает приблпзительно экспоненциально с растоянием от поверхности подложки 1 с постоянной затухания порядка длш1ы волны

11 ПАВ, то зазор выбирают минимальной величины, ограничиваемой обычно технологическими и конструктивными соображениями. Увеличение величины зазора h свыше i/! приводит к недопус1О тпмому снижению величины электрического поля, проникающего в слои 10 и

ll и соответствующему снижению влияния изменений Р<1 на скорость ПАВ.

Внутри слоев 10 и 1! электричес15 кое поле ПАВ затухает в пределах дебаевской длины от поверхности полупроводниковых слоев 10 и 11. Поэтому для 11аксимальпого использования всей области г запмодействия ПЛБ с по20 11упропОд1п1ковым11 слоя !11 10 II 1 1 при изменении Рр толщи Ia d этпх слоев г

or рапи п1вае гся снизу добаевской длиной в полупроводнике. Зцачител1по у11еличив ать толщ1пчу слоев 10 и 1

25 свыше технологических и конструктивных соображений также нецелесообразно ввиду увеличеп11я вре11епи установлеIIIIs! (т. е . снижения быс тродействия) .