Датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода



Датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода
Датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода

 

G01D5/00 - Передача выходного сигнала от датчика с использованием механических средств; средства преобразования выходного сигнала датчика в другую переменную величину, если форма или вид датчика не препятствуют средству преобразования; преобразователи, специально не предназначенные для особых переменных величин (G01D 3/00 имеет преимущество; средства, предназначенные специально для устройств, замеряющих не мгновенные, а некоторые другие значения переменной величины, G01D 1/00; датчики, см. соответствующие подклассы, например G01,H01; для преобразования только тока или только напряжения в механическое смещение G01R 5/00; специально предназначенные для высоковольтных или сильноточных измерительных устройств G01R 15/04, G01R 15/14; измерение тока или напряжения с использованием цифровой

Владельцы патента RU 2550697:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет (RU)

Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля различных физических и химических величин. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в обеспечении максимальной чувствительность датчика к концентрации моноокиси углерода за счет использования в качестве импеданса, зависящего от концентрации моноокиси углерода, наностержней оксида цинка, сопротивление которых близко к сопротивлению излучения отражательного ВШП. Сущность изобретения: датчик содержит герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный ВШП и отражательный ВШП, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода. Импеданс выполнен в виде решетки параллельно-соединенных наностержней окиси цинка. 2 ил.

 

Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля различных физических и химических величин.

Известны датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащие корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода [1, 2] (Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V.32, N 12. - P.21-37. [1], Костромин A.C., Розанов И.А., Черных Е.В., Кувахара Хироюки, Томилова Л.Г., Зефиров Н.С. Датчик на поверхностных акустических волнах для детектирования диоксида углерода. Патент РФ RU 2132584 C1, МПК 6 H01L 41/18 от 1999.06.27 [2]). В одном из датчиков звукопровод с ВШП на рабочей поверхности представляет собой линию задержки, которая включается в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от температуры или от величины деформации звукопровода [1]. Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое и осуществляет дистанционный контроль. Устройство другого датчика [2] аналогично, только между ВШП расположена пленка, которая может избирательно поглощать различные вещества. В этом случае датчик может контролировать появления различных веществ. При этом корпус не может быть сделан герметичным, что снижает надежность датчика, так как различные агрессивные вещества могут разрушать металлическую пленку, из которой сделаны ВШП. Так как в состав датчика входит усилитель, то датчику необходим источник питания, который необходимо периодически менять и который может отказать (разрядиться) в непредусмотренное для этого время, что снижает надежность датчика. Кроме того, наличие в усилителе полупроводниковых элементов может привести к выходу его из строя при наличии ионизирующего излучения, что также понижает надежность датчика.

Устранить указанные недостатки позволяет датчик, содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены двунаправленный приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный однонаправленный ВШП с внутренними отражателями и отражательный однонаправленный ВШП с внутренними отражателями, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода. Величина импеданса может быть чувствительна к температуре, давлению, влажности, ионизирующему излучению, электромагнитному излучению, наличию различных веществ [3] (Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г. Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах. Патент РФ 2387051 C1, МПК G01D 5/12 от 20.04.2010), принимаемое за прототип.

В данном устройстве коэффициент отражения зависит от величины импеданса, величина которого зависит от измеряемой физической величины. Так как корпус герметичный, ВШП и подложка изолированы от окружающей среды, что повышает надежность датчика. Отсутствие в датчике полупроводниковых элементов делает этот датчик малочувствительным к ионизирующему излучению. Отсутствие источника питания позволяет располагать данный датчик в труднодоступных местах лишь однажды. Опрос датчика производится с помощью считывателя, посылающего опрашивающий электромагнитный импульс, который принимается антенной датчика и преобразуется в поверхностные акустические волны (ПАВ), которые, отражаясь от отражательных ВШП, принимаются приемопередающим ВШП и снова преобразуются в электромагнитный сигнал, который принимается приемником считывателя. При этом задержка и амплитуда отраженных импульсов оказывается разной из-за того, что коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП, нагруженного на импеданс отличается от коэффициента отражения ПАВ от ненагруженного отражательного ВШП, и они расположены на разных расстояниях от приемо-передающего ВШП. Сравнение амплитуд отраженных импульсов позволяет определить по известной зависимости коэффициента отражения от величины импеданса измеряемую величину. Для определения концентрации моноокиси углерода необходимо использовать импеданс, чувствительный к ее концентрации. Однако существующие импедансы на основе тонких полупроводниковых пленок достаточно высокоомны и существенно ослабляет влияние изменение импеданса на коэффициент отражения ПАВ. Кроме того, сопротивление этих пленок крайне чувствительна к загрязнению.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности измерения путем создания импеданса, чувствительного к концентрации моноокиси углерода, при котором даже его незначительное изменение вызывает заметное изменение коэффициента отражения ПАВ от ВШП.

Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в обеспечении максимальной чувствительность датчика к концентрации моноокиси углерода за счет использования в качестве импеданса, зависящего от концентрации моноокиси углерода, наностержней оксида цинка, сопротивление которых близко к сопротивлению излучения отражательного ВШП.

Это достигается тем, что в датчике, содержащем герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный ВШП и отражательный ВШП, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода, импеданс выполнен в виде решетки параллельно-соединенных наностержней окиси цинка.

На фиг.1 показана топологическая структура устройства на ПАВ в соответствии с изобретением.

Датчик содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого расположены приемо-передающий ВШП 2, отражательный однонаправленный ВШП 3, который нагружен на импеданс 4 из связанных наностержней окиси цинка, другой отражательный однонаправленный ВШП 5. На торцах звукопровода расположены акустопоглотители 6, а ВШП 2 нагружен на приемопередающую антенну 7. Звукопровод вместе с ВШП помещен в герметичный корпус 8.

На фиг.2 показано схематическое изображение чувствительного элемента ПАВ сенсора СО (импеданса). Верхний электрод 9 наносится непосредственно на решетку наностержней оксида цинка 10, которые выращиваются на буферном подслое оксида цинка 11 для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней 10. Этот пленочный подслой оксида цинка 11 напыляется на сапфировую подложку 12. Нижний золотой электрод 13 напылялся на подслой оксида цинка 11, который выступает справа из-под наностержней 10.

Датчик работает следующим образом. При подаче на приемопередающую антенну 7 опрашивающего электромагнитного импульса он с помощью ВШП 2 преобразуется в импульсы ПАВ, которые отражаются от ВШП 3 и ВШП 5. Отраженные импульсы ПАВ от ВШП 3, 5 преобразуются обратно с помощью ВШП 2 в электромагнитные импульсы, которые излучаются антенной 7. Так как однонаправленный ВШП 5 не нагружен, то падающие на него ПАВ почти полностью от него отразятся, поскольку однонаправленный ВШП в режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки) должен все падающие на него ПАВ отразить обратно. В режиме полного согласования ВШП 3 с нагрузкой в виде связанных наностержней окиси цинка ПАВ отраженные от активных электродов и ПАВ, отраженные от внутренних отражателей, находятся в противофазе. В этом случае ВШП 3 не будет отражать ПАВ. Но достичь режима полного согласования очень сложно, к тому же это можно сделать только на одной частоте. Поэтому опрашивающий импульс будет отражаться от такого ВШП значительно меньше, чем от ненагруженного ВШП 5, причем коэффициент отражения будет зависеть от степени согласования ВШП 3 с нагрузкой (импедансом) 4, т.е. от величины этой нагрузки Z. Эта величина, в свою очередь, будет зависеть от измеряемой концентрации моноокиси углерода. Следовательно, коэффициент отражения от датчика будет зависеть от измеряемой концентрации. Так как отраженный от ненагруженного отражающего ВШП 5 считывающий импульс будет иметь постоянную амплитуду, то сравнивая эту амплитуду с амплитудой считывающего импульса, отраженного от ВШП 3, можно судить об измеряемой физической величине. Соотношение этих амплитуд не будет зависеть от взаимного расположения антенн считывателя датчика, а будет зависеть только от соотношения коэффициентов отражения от ВШП 3 и 5, которое зависит от величины импеданса, нагруженного на ВШП 3, а, следовательно, от измеряемой физической величины.

Решетка ZnO наностержней 10 на сапфировой подложке 12 (см. фиг.2) напылялась нами методом импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона [4] (М. Lorenz, М.; Kaidashev, Е.М.; Rahm, A.; Nobis, Th.; Lenzner, J.; Wagner, J.G.; Spemann, D.; Hochmuth, H.; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113). Напыления проводили в вакуумируемой кварцевой ячейке с внешним резистивным нагревателем. Лазерное излучение KrF лазера (λ=248 нм, E=300 мДж) фокусировалось на поверхность вращающейся керамической мишени ZnO. Плотность мощности на поверхности мишени составляла 2 Дж/см2. Расстояние мишень-подложка составляло 5-35 мм. Частота следования лазерных импульсов составляла 3-10 Гц. Синтез микро- и нанокристаллов осуществляли за 12000-24000 лазерных импульсов. Температура подложки варьировалась в диапазоне 850-950°C. Поток аргона составлял 50 sccm при давлении 75-300 мбар. Монокристаллические подложки c- и a-сапфира размером 10×10×0,5 мм с буферным слоем оксида цинка 11 располагались параллельно лазерному факелу. Буферный пленочный подслой оксида цинка 11 напылялся для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней и для подсоединения нижнего золотого электрода 13. Пленка ZnO напылялась за 10000 лазерных импульсов при давлении кислорода 2×10-2 мБар, расстоянии мишень-подложка ~70 мм температуре 670°C. В качестве катализатора нами использована пленка золота толщиной 1-2 нм.

Для создания верхнего электрода 9 к решетке наностержней оксида цинка осуществляли напыление золота под углом в 45° в высоком вакууме через маску с круглым отверстием. Благодаря плотному расположению наностержни экранируют друг друга, что препятствуют запылению основания структуры. Таким образом, золотой контакт создается в верхней части наностержней и объединяет их между собой.

Пример выполнения. Датчик выполнен на звукопроводе 1 из YX-среза ниобата лития размерами 8×1,4×0,5 мм. ВШП 3 и 5 выполнены с внутренними отражателями с периодом в две длины ПАВ на центральной частоте f0=870 МГц и длиной в 33 длины ПАВ на центральной частоте, что обеспечивает однонаправленный режим в 15 дБ. ВШП 2 выполнен двунаправленным с шириной электродов, равной четверти длины ПАВ на центральной частоте, и имеет длину, равную 20 длинам ПАВ. ВШП 5 расположен на расстоянии 2,15 мм от ВШП 2, а ВШП 3 - на расстоянии 4 мм, что обеспечивает задержку между отраженными импульсами в 1 мкс, а переотраженным от ВШП 5 и отраженным от ВШП 3 импульсами - 0,074 мкс при длине считывающего импульса 0,037 мкс, т.е. эти импульсы не перекрываются. Апертуры ВШП 2, 3, 5 выбраны равными 80 длин ПАВ на центральной частоте, что позволяет пренебречь потерями на дифракцию при заданных расстояниях. Сопротивление излучения отражательных ВШП близко к 50 Ом. Вносимые потери при подаче сигнала на ВШП 2 и съеме его с ВШП 3 составили 10 дБ. Звукопровод вместе с ВШП помещен в герметичный корпус. Антенна 7 в виде полуволнового вибратора и импеданс 4 расположены вне корпуса.

Чувствительный элемент ПАВ сенсора СО (импеданс) состоит из параллельно соединенных наностержней оксида цинка 11. Увеличивая площадь верхнего электрода 9 удается снизить общее сопротивление связанной решетки наностержней оксида цинка. Величина нимпеданса Z, зависит от концентрации СО. При адсорбции СО сопротивление чувствительного элемента 4 (импеданса) изменяется в пределах 50 до 400 Ом.

Источники информации

1. Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V.32, N 12. - P.21-37.

2. Костромин А.С., Розанов И.А., Черных Е.В., Кувахара Хироюки, Томилова Л.Г., Зефиров Н.С. Датчик на поверхностных акустических волнах для детектирования диоксида углерода. Патент РФ RU 2132584 C1, МПК 6 H01L 41/18 от 1999.06.27.

3. Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г. Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах. Патент РФ 2387051 C1, МПК G01D 5/12 от 20.04.2010.

4. М. Lorenz, М.; Kaidashev, Е.М.; Rahm, A.; Nobis, Th.; Lenzner, J.; Wagner, J.G.; Spemann, D.; Hochmuth, H.; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113.

Датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода, содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный ВШП и отражательный ВШП, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода, отличающийся тем, что импеданс выполнен в виде решетки параллельно-соединенных наностержней окиси цинка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству, системе и способу выявления абсолютного положения объекта с использованием шаблона, содержащего два типа данных положения: положение шаблона относительно объекта и положение шаблона относительно воспринимающего устройства, например, камеры.

Изобретение относится к индуктосинному преобразователю угловых или линейных перемещений и способу определения абсолютных значений перемещений. .

Изобретение относится к средствам дистанционного измерения, использующим изменение интенсивности света. .

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля различных физических величин. .

Изобретение относится к области производства полимеров и может быть использовано для измерения давления в процессе полимеризации при изготовлении крупногабаритных изделий.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин. .

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах с автоматическим сбором информации о значениях измеряемых величин. .

Изобретение относится к измерительной технике, к приборам для измерения величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение активного или реактивного сопротивления элементов электрической цепи.
Адъювант // 2550263
Изобретение относится к биотехнологии и иммунологии, а именно к применению наногранул фторуглеродного материала в качестве адъюванта для вакцин. Предложенное изобретение может быть использовано в области медицины и ветеринарии для конструирования и производства высокоэффективных вакцин.

Изобретения относятся к нанотехнологии и могут быть использованы при изготовлении катализаторов и сорбентов. Графеновая пемза состоит из графенов, расположенных параллельно на расстояниях больше 0,335 нм, и аморфного углерода в качестве связующего по их краям, при соотношении графена и связующего от 1:0,1 до 1:1 по массе.
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, и может быть использовано при лечении пациентов с острым анаэробным парапроктитом. В период предоперационной подготовки пациента выполняют катетеризацию мочевого пузыря и дренирование прямой кишки.
Изобретение относится к контролю содержания веществ в промышленных сточных водах методом жидкостной хроматографии. Для определения концентрации пентаэритрита в водных растворах используют раствор с содержанием пентаэритрита от 1 до 100 мг/дм3.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой спектральный магнитоэллипсометр и предназначено для контроля in situ производства в условиях сверхвысокого вакуума наноразмерных магнитных структур.

Использование: для преобразования солнечной энергии в электричество. Сущность изобретения заключается в том, что фотоэлектрический преобразователь содержит воронкообразные сквозные отверстия с просветляющим покрытием и толстопленочное покрытие (с обратной стороны), содержащее сферические микрочастицы, способные отражать сквозные солнечные лучи на грани сквозных отверстий.

Изобретение относится к противоопухолевому лекарственному средству пролонгированного действия на основе ингибитора синтеза эстрогенов - анастрозола. Лекарственное средство содержит анастрозол, сополимер молочной и гликолевой, поливиниловый спирт и D-маннитол.

Изобретение относится к получению метаматериалов из структурных элементов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов и может быть использовано в машиностроении и электронике в качестве материалов с улучшенными свойствами.

Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров может найти применение в электронике, радиотехнике, природоохранной, химической и нефтяной отраслях для контроля качества проведения технологических процессов и качества готовой продукции, например, при создании полимерных нанокомпозитов, функциональных электронных и радиотехнических элементов.

Предложенное изобретение относится к технике получения дисперсных частиц на основе различных материалов, которые могут быть использованы для изготовления различных функциональных изделий и приборов.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно представляет собой способ получения нанокапсул. Отличительной особенностью предлагаемого способа является использование 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и оболочки нанокапсул каррагинана, а также использование осадителя - ацетонитрила при получении нанокапсул физико-химическим методом осаждения нерастворителем. Изобретение обеспечивает упрощение и ускорение процесса получения нанокапсул и увеличение выхода по массе. 3 пр.
Наверх