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:
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:
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:
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
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
