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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor und besonders einen
Sensor, der eine Anordnung akustischer Oberflächenwellenoszillatorschaltungen verwendet,
um zur gleichen Zeit mindestens ein Objekt niedriger Konzentration
zu messen, und ein Verfahren für
dasselbe.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
den verschiedenen herkömmlichen
Sensoren, wie zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Sensoren (MOS),
Sensoren aus leitfähigem
Polymer (CPS), Metalloxid-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET), Fluoreszenzgeruchssensoren,
Ionenbeweglichkeitsspektrometrie (IMS) und so weiter, hat jeder seine
jeweiligen Beschränkungen.
Die Metalloxid-Halbleiter-Sensoren
(MOS) müssen
zum Beispiel in einer Hochtemperaturumgebung betrieben werden, und
sie weisen nur eine mangelhafte Fähigkeit, heteropolare Verbindungen
zu erkennen, und eine schlechte Selektivität auf; die Sensoren mit leitfähigem Polymer
(CPS) lassen sich leicht durch Feuchte stören. Daher entsteht die Notwendigkeit,
einen Sensor zu entwickeln, der mehrere Vorteile aufweist, wie zum
Beispiel Betrieb bei etwa 23°C,
hohe Empfindlichkeit, mäßige Kosten
und so weiter. Die akustische Oberflächenwellenvorrichtung ist eine
geeignete Wahl, um alle diese Anforderungen zu erfüllen.
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Da
die Ausbreitungskennwerte einer akustischen Oberflächenwelle
leicht durch äußere Umgebungsfaktoren
zu beeinflussen sind, ist eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung geeignet,
als Messwandler zu dienen. 1 zeigt
eine herkömmliche
akustische Oberflächenwellenvorrichtung 1,
die aus einem piezoelektrischen Substrat 3 und einem Paar
von Interdigitaltransducern 5 besteht. Die Transducer werden
zum Umwandeln von Schwankungen der äußeren Umgebung, wie zum Beispiel Schwankungen
des Magnetfeldes, der Frequenz, Phase, Temperatur usw., in Korrelationssignale
verwendet. Die Korrelationssignale werden dann berechnet, um ein
entsprechendes Ergebnis zu erzeugen, wie zum Beispiel die Art und
den Inhalt von Messobjekten.
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Ein
Einzelsensor nach dem Stand der Technik kann jedoch nicht mehrere
erfasste Objekte gleichzeitig messen: Der Einzelsensor kann nur
ein bestimmtes Objekt messen. Das Aufgabengebiet und der Anwendungsbereich
eines Einzelsensors sind daher im Allgemeinen beschränkt.
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Ein
weiterer herkömmlicher
Transducer ist ein Interdigitaltransducer (IDT). Ein solcher Interdigitaltransducer
weist Probleme bei Breite, Länge
und Elektrodenabstand auf, die durch das Material des Interdigitaltransducers
bestimmt werden, durch die sich ein unzureichender Frequenzgang
der Vorrichtung ergibt.
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Außerdem besitzt
ein herkömmlicher
Sensor einer akustischen Oberflächenwellenanordnung
die Eigenschaften eines elektrischen Energieverbrauchs und einer
leichten Erzeugung von wechselseitigen Störungen zwischen Messwandlern.
Insbesondere ist bei einer tragbaren Vorrichtung ein herkömmlicher Sensor
in Matrixanordnung einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung mit reduziertem
Volumen darin angeordnet, der auf Grund einer Störung zwischen den Messwandlern
eine Fehleraktion auslösen kann.
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Es
entsteht daher die Notwendigkeit, einen neuartigen und fortschrittlichen
Sensor zu entwickeln, der bequem zu tragen ist und der mehrere Objekte
gleichzeitig in einer Umgebung geringer Konzentration erfassen kann.
Andererseits muss der Sensor Vorteile aufweisen, wie zum Beispiel
mäßige Kosten,
hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht des vorhergehend Gesagten, stellt die vorliegende Erfindung
einen Sensor einer diskontinuierlich arbeitenden Anordnung einer
akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung
bereit. Durch Integrieren der Merkmale eines piezoelektrischen Materials,
akustischer Oberflächenwellen,
eines Dünnfilms
und äußerer Korrelationsschaltungen in
einen Sensor der vorliegenden Erfindung wird ermöglicht, dass der Sensor zu
einer bestimmten Zeit mindestens ein Objekt in einer Umgebung geringer Konzentration
feststellen kann.
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Der
erste Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltvorrichtung
bereitzustellen, um eine diskontinuierlich arbeitende Anordnung
einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung
zu konstruieren. Verbindet man die Steuerungsenden der Schaltvorrichtung
einzeln mit einem Eingangsteil jeder externen Schaltung, wird jeweils
nur eine Messvorrichtung zu einer Zeit aktiviert. Die Leistungsaufnahme
der Messvorrichtung kann also verringert werden, und die gegenseitige
Störung
zwischen den Messvorrichtungen kann verhindert werden. Andererseits
wird durch Nutzen eines Zählregisters
zum Steuern der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtung und der Schaltgröße der Schaltvorrichtung durch Überwachen
der Frequenz des Zählregisters die
Schaltgeschwindigkeit der Schaltvorrichtung gesteuert. Und schließlich werden
die Ausgangsanschlüsse
der externen Schaltung mit einem Frequenzzähler und einer Rechenvorrichtung
zum Berechnen der Schwankung jeder Messvorrichtung verbunden. Dann
können
die Kennwerte, wie zum Beispiel Art und Menge der Messobjekte, gewonnen werden.
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Der
zweite Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine diskontinuierlich
arbeitende Anordnung einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung
bereitzustellen. Gemäß den verschiedenen
Merkmalen von Dünnfilmen,
die auf jeder akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
angeordnet sind, kann der Sensor verschiedene Objekte gleichzeitig
messen. Da eine der genannten Messvorrichtungen ohne einen Dünnfilm darauf
als Referenz verwendet wird, um einen Anfangswert für andere
Messvorrichtungen zu erzeugen, kann sie die Störfaktoren in der Umgebung eliminieren.
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Der
dritte Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten
Frequenzgang einer Vorrichtung durch Festlegen der Parameter des
piezoelektrischen Materials des Transducers bereitzustellen, wie
zum Beispiel Elektrodenlogarithmus, Elektrodenlänge, Elektrodenbreite, Elektrodenabstand
und so weiter.
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Der
vierte Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dünnfilm bereitzustellen,
der aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet wird. Außerdem besitzt der
Dünnfilm
eine große
Oberfläche,
und die große Oberfläche weist
Mittenlöcher
und Mikrolöcher
auf.
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Um
die obigen Zwecke zu erreichen, offenbart die vorliegende Erfindung
einen Gassensor. Der Gassensor umfasst eine Anordnung von akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen,
die mindestens eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung umfasst.
Der Gassensor umfasst eine erste akustische Oberflächenwellenvorrichtung,
mindestens eine weitere akustische Oberflächenwellenvorrichtung und eine
Steuervorrichtung. Die erste akustische Oberflächenwellenvorrichtung umfasst
ein piezoelektrisches Substrat, ein Transducerpaar und eine externe Schaltung.
Das Transducerpaar besteht aus einem ersten Transducer und einem zweiten
Transducer, die auf zwei Seiten des piezoelektrischen Substrat gebildet
sind. Der erste Transducer wird zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen
auf dem piezoelektrischen Substrat verwendet, und die externe Schaltung
ist elektrisch mit dem Transducerpaar verbunden. Außerdem wird
die erste akustische Oberflächenwellenvorrichtung
zum Ausschließen
der Störungen
durch Umgebungsfaktoren verwendet. Ferner umfasst mindestens eine
akustische Oberflächenwellenvorrichtung
mindestens eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung und einen
porösen Messdünnfilm,
von dem zwei Seiten auf dem Transducerpaar der ersten akustischen
Oberflächenwellenvorrichtung
gebildet sind. Die Steuervorrichtung dient als Leistungsschalter
und eine Ausgangsklemme der Steuervorrichtung ist mit einem Eingangsteil einer
externen Schaltung verbunden, um in der Steuervorrichtung nur eine
externe Schaltung zu steuern, die jeweils zu einem Zeitpunkt zu
aktivieren ist. Wenn ein Messobjekt an dem porösen Messdünnfilm haftet, wird eine Änderung
der akustischen Oberflächenwelle
durch den porösen
Messdünnfilm
auf den zweiten Transducer übertragen.
Außerdem
wird die Veränderung
der akustischen Oberflächenwelle
auf einen Frequenzzähler übertragen,
der eine externe Vorrichtung umfasst. Die Ergebnisse der Veränderung
der Frequenz der akustischen Oberflächenwelle kann mit dem Frequenzzähler gemessen
werden. So können
quantitative und qualitative Analysen des Messobjektes erhalten
werden. Ferner soll ein Merkmal der vorliegenden Erfindung sein,
die Steuervorrichtung zum Schalten der Stromversorgung der externen
Schaltungen zu verwenden, um so Signale der diskontinuierlich arbeitenden
akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
zu übertragen.
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Um
die oben genannten Zwecke zu erreichen, offenbart die vorliegende
Erfindung auch ein Verfahren. zum Messen eines Objektes. Das Verfahren
umfasst die folgenden Vorgehensweisen: (a) Bereitstellen einer ersten
akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
und mindestens einer weiteren akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, wobei
die Arbeitsweise derselben folgendes umfasst: (i) Bereitstellen
der ersten akustischen Oberflächenwellenvorrichtung,
die ein piezoelektrisches Substrat und ein Transducerpaar umfasst,
welches auf dem piezoelektrischen Substrat gebildet ist, wobei das
Transducerpaar aus einem ersten Transducer und einem zweiten Transducer
besteht, und (ii) Bereitstellen von mindestens einer weiteren akustischen
Oberflächenwellenvorrichtung,
die aus einem porösen
Dünnfilm auf
dem Transducerpaar der ersten akustischen Oberflächenwellenvorrichtung gebildet
ist; (b) Anlegen einer Spannung an den ersten Transducer mit einer
externen Schaltung, wobei der erste Transducer zum Umwandeln der
elektrischen Energie in mechanische Energie und zum Erzeugen von
akustischen Oberflächenwellen
auf dem piezoelektrischen Substrat verwendet wird; (c) Steuern von
nur einer der externen Schaltungen zum Ausgeben eines Signals zu einem
Zeitpunkt durch Verwenden einer Steuervorrichtung, wobei ein Ausgangsanschluss
der Steuervorrichtung mit einem Eingangsteil der externen Schaltung
verbunden ist; (d) Messen von Änderungen
der akustischen Oberflächenwelle,
die durch den zweiten Transducer übertragen werden; und (e) Verwenden
einer externen Vorrichtung zum Aufnehmen des Signals der elektrischen
Energie, das durch den zweiten Transducer übertragen wird, um Informationen
aus dem Dünnfilm
zu berechnen.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Gassensors,
der verschiedene Merkmale eines Dünnfilms hat; dieser Dünnfilm ist auf
jeder akustischen Oberflächenwellenvorrichtung angeordnet.
Der Gassensor kann dann verschiedene Objekte in einer Umgebung geringer
Konzentration gleichzeitig messen. Bei Verwenden einer diskontinuierlich
arbeitenden Anordnung lässt
sich besonders die gegenseitige Störung der Vorrichtungen in einem
kleinvolumigen Apparat verhüten.
Der Sensor erreicht dadurch mehrere Vorteile, wie zum Beispiel kleines
Volumen, mäßige Kosten,
geringer Energieverlust, einen zufriedenstellenden Frequenzgang
der Vorrichtung und so weiter.
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Eine
ausführliche
Beschreibung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen mit Verweis
auf die begleitenden Zeichnungen und Ansprüche angeführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine grafische Darstellung einer herkömmlichen akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
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2 ist
eine grafische Darstellung eines Interdigitaltransducers.
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3 ist
eine grafische Darstellung eines Sensors einer diskontinuierlich
arbeitenden Anordnung einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung.
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4 ist
eine grafische Darstellung einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung.
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5 ist
ein Flussdiagramm von Verfahren zum Herstellen der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung.
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6 ist
ein statistisches Prüfdiagramm
für das
viermalige Strömen
von gasförmigem
Amin in einen Sensor einer diskontinuierlich arbeitenden Anordnung
einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung.
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7 ist
ein statistisches Balkendiagramm, das die Messung von fünf Arten
von Gasen durch sieben Arten von Dünnfilmen zeigt.
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8 ist
eine grafische Darstellung eines Messergebnisses eines PNVP-Films
bei verschiedenen Konzentrationen von Alkohol.
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9 ist
eine grafische Darstellung von Parametern des Normalisierungsverfahrens.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Die
Erfindung wird hierin nachstehend detaillierter anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
der Erfindung und begleitenden Zeichnungen beschrieben. Trotzdem
sollte beachtet werden, dass die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung die Erfindung nicht einschränken, sondern illustrieren sollen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur in den bevorzugten Ausführungsbeispielen,
die hierin genannt werden, umsetzbar, sondern neben den explizit
hier beschriebenen auch in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen.
Ferner ist der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ausdrücklich nicht
auf besondere Ausführungsbeispiele
beschränkt,
ausgenommen, was in den angehängten Ansprüchen festgelegt
ist.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung offenbart einen Sensor einer diskontinuierlich
arbeitenden Anordnung einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung
zum Verwenden verschiedener Merkmale von Dünnfilmen, die auf jeder akustischen
Oberflächenwellenvorrichtung
angeordnet sind, um verschiedene Gase geringer Konzentration gleichzeitig
zu messen. Außerdem
kann der Sensor in eine tragbare Vorrichtung zum bequemen Tragen
und zum Messen von Gas bei verschiedenartigen Anforderungen gebracht
werden.
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Zuerst
werden mehrere Parameter eines Interdigitaltransducers (IDT) dieses
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung unten beschrieben. Wie hier verwendet,
werden diese Parameter nur dazu verwendet, dieses Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu erläutern und nicht die angehängten Ansprüche der
vorliegenden Erfindung einzuschränken. 2 zeigt
eine grafische Darstellung des Interdigitaltransducers und der Parameter desselben.
Das Symbol W bezeichnet eine Breite einer Elektrode eines Transducers,
die auch Breite des IDT-Musters genannt wird. Symbol D bezeichnet
einen Abstand zwischen zwei benachbarten Transducern und wird auch
Zwischenraum zwischen den IDTs genannt. Außerdem bezeichnet Symbol d
eine Breite der Zwischenelektrode des Transducers. Die Symbole N1
bzw. N2 bezeichnen die Längen
von zwei benachbarten Transducern. In bestimmten Ausführungsbeispielen
beträgt
die bevorzugte Breite, W, eines Interdigitaltransducermusters 3800 μm, die bevorzugte
Breite, d, der Zwischenelektrode des Transducers beträgt 10 μm, und der
bevorzugte Zwischenraum, D, zwischen den IDTs beträgt 4000 μm. Die bevorzugten
N1 bzw. N2 umfassen jeweils dreißig Fingerpaare von Interdigitaltransducern,
und die Breite und der Zwischenraum der Elektrode des Interdigitaltransducers
betragen eine viertel Wellenlänge.
Die genannten Parameter sind bevorzugte Parameter, um einen optimalen
Frequenzgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu erhalten.
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3 zeigt
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das eine akustische Oberflächenwellenschaltungsanordnung 39 umfasst.
Die akustische Oberflächenwellenschaltungsanordnung 39 umfasst
eine oder mehrere akustische Oberflächenwellenvorrichtungen. Die
akustische Oberflächenwellenvorrichtung
umfasst ein piezoelektrisches Substrat 3 und ein Paar von
Transducern, welche aus einem ersten Transducer 381 und einem
zweiten Transducer 382 bestehen, die auf zwei Seiten des
piezoelektrischen Substrats 3 gebildet sind. Außerdem sind
Messdünnfilme 361–369 poröser Art,
zum Beispiel der Messdünnfilm 361,
auf beiden Seiten des Transducerpaars gebildet. Wie gezeigt, wird
eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung 35 ohne
darauf gebildeten Messdünnfilm dazu
verwendet, als Referenz-Schrägeinfall-Interdigitaltransducer
zu dienen, um einen Anfangswert zu erzeugen. Dann können Veränderungen
einer physikalischen Größe, wie
zum Beispiel die Veränderung der
Phasengeschwindigkeit oder Wellenausbreitung, der anderen akustischen
Oberflächenwellenvorrichtungen
mit der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung 35 verglichen
werden, um Störfaktoren
der Umgebung eliminieren zu können.
Ferner wird der erste Transducer 381 zum Umwandeln von
elektrischer Energie in mechanische Energie und zum Erzeugen einer
akustischen Oberflächenwelle
auf dem piezoelektrischen Substrat 3 verwendet. Der zweite Transducer 382 wird
zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie verwendet. Wenn
die akustische Oberflächenwelle
vom zweiten Transducer 382 aufgenommen wird, wandelt dieser die
akustische Oberflächenwelle
in ein elektrisches Signal um, das über eine Übertragungsleitung auf eine
externe Vorrichtung (nicht dargestellt) übertragen wird.
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4 zeigt
eine externe Schaltung 32, die Vorspannungsschaltungen
und Oszillationsschaltungen umfasst. Die Vorspannungsschaltungen
und die Oszillationsschaltungen sind elektrisch mit dem Transducerpaar
verbunden. Eine Vorspannung, die von den Vorspannungsschaltungen
erzeugt wird, wird an den ersten Transducer 381 derart
angelegt, dass vom ersten Transducer 381 eine akustische Oberflächenwelle
erzeugt wird. Außerdem
umfasst in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Sensor der
vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung 34, die als
Leistungsschalter dienen soll und die einen Multiplexer oder einen
Schalter umfasst, um so Funktionen der Datenverteilung oder Datenumschaltung
bereitzustellen. Ferner sind Ausgangsklemmen der Steuervorrichtung 34 am
Eingangsteil dieser externen Schaltungen 32 angeordnet,
um nur eine externe Schaltung 32 zu steuern, die zu einem
Zeitpunkt aktiviert ist. Wenn ein Messobjekt auf den porösen Messdünnfilm 361 (als
Beispiel) geklebt wird, wird eine Veränderung einer physikalischen
Größe der akustischen
Oberflächenwelle
vom porösen Messdünnfilm 361 zum
zweiten Transducer 382 übertragen.
Die Veränderung
der physikalischen Größe der akustischen
Oberflächenwelle
wird vom zweiten Transducer 382 an ein Zählregister
oder einen Universalzähler
(nicht dargestellt) zum Ablesen des Wertes der Frequenz übertragen.
Der Wert der Frequenz wird dann mit einem Computer (nicht dargestellt)
aufgezeichnet, und es werden qualitative und quantitative Analysen
des Messobjektes erhalten.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird das piezoelektrische Substrat 3 aus 128° YX-LiNbO3 hergestellt, ist aber nicht darauf beschränkt. In
weiteren bestimmten Ausführungsbeispielen
wird das piezoelektrische Substrat 3 aus einer Auswahl
aus einem oder mehreren piezoelektrischen Materialien hergestellt, die
Aluminiumnitrid (AlN), Galliumarsenid (GaAs), Zinkoxid (ZnO), Bleizirkonattitanat
(PZT) oder Kombinationen derselben umfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
beträgt
eine Mittenfrequenz der Vorrichtung etwa 99,8 MHz.
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Eine
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschreibt eine Veränderung der Frequenz einer
akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
des Sensors der vorliegenden Erfindung. Ein aufgeklebter Dünnfilm 361,
der Selektivität
oder Trennschärfe
und Eindeutigkeit besitzt, ist auf einem Erfassungsbereich einer
akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
angeordnet. Wenn der Sensor einer Umgebung mit einem Zielmessobjekt
ausgesetzt ist, wird ein elektrisches Eingangssignal mittels eines ersten
Transducers 381 in mechanische Wellen umgewandelt. Die
mechanische Welle wird in eine Verzögerungsleitung übertragen.
Die erregte Oberflächenwelle
ist physikalisch oder chemisch mit dem porösen Dünnfilm 361 im Erfassungsbereich
derart verbunden, dass durch eine Veränderung der Masse im Erfassungsbereich
eine Veränderung
der Wellengeschwindigkeit erzeugt wird. Außerdem wird ein zweiter Transducer 382 zum
Umwandeln eines Signals mechanischer Energie in ein elektrisches
Ausgangssignals verwendet, und dann können Veränderungen der physikalischen
Größe, wie
zum Beispiel eine Veränderung
einer Mittenfrequenz, Phase oder Energieverlust, mit einem Instrument
gemessen werden. Die Veränderung
der Frequenz wird durch bestimmte Moleküle der aufgeklebten gasförmigen Probe
verursacht. Wenn eine Veränderung
der Wandergeschwindigkeit der Welle vom zweiten Transducer 382 empfangen
wird, wird die Veränderung
in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches wiederum an einen
Universalzähler
(nicht dargestellt) übertragen wird,
und der Wert der Frequenz wird auf dem Bildschirm des Zählers angezeigt.
Wenn außerdem
eine Lesegeschwindigkeit des Universalzählers auf 1 (Ablesung/s) eingestellt
ist, kann die Auflösung
des Zählers
0,01 Hz erreichen. Dadurch wird eine kleine Veränderung der Frequenz messbar.
Ferner wird das elektrische Signal einer Rechenvorrichtung (nicht dargestellt)
zur qualitativen und quantitativen Analyse zugeführt. Aus dem vorher Gesagten
ergibt sich, dass der Sensor der vorliegenden Erfindung in eine Umgebung
niedriger Konzentration zum Messen gebracht werden kann.
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5 zeigt,
wie der Sensor der vorliegenden Erfindung durch die Verfahren, die
darin gezeigt werden, hergestellt wird. Die Verfahren umfassen drei Schritte.
Der Schritt 501 umfasst ein Bedarfsmuster, das durch ein
lithographisches Verfahren auf ein Photoresist übertragen wird. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel
wird das Muster bei Belichtung mit einer Quecksilberlampe auf das
Photoresist übertragen;
die Belichtungsdauer beträgt
etwa 15 s. Während
der Belichtung ist die Ausrichtung der Zwischenelektrode wichtig.
Ferner wird ein Entwicklungsverfahren ausgeführt, dabei wird eine Mischung
aus einer Entwicklungslösung
(AZ400K) und entionisiertem Wasser genutzt; das Mischungsverhältnis von
Entwicklungslösung
und entionisiertem Wasser beträgt 1:5.
Die Entwicklungsdauer beträgt
etwa 80 s. Ferner umfasst Schritt 503, dass bei Verwendung
einer E-Gun-Verdampfung
eine Elektrodenleitung gebildet wird. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel
wird als Material für
die Beschichtung Gold (Au) gewählt. Da
die Haftfähigkeit
von Gold gering ist, wird zuerst eine Chromschicht mit einer Dicke
von etwa 20 nm als Haftschicht aufgebracht; dann wird eine Goldschicht
mit einer Dicke von etwa 100 nm als Elektrodenleitung auf der Chromschicht
aufgebracht. Schritt 505 umfasst, dass der metallische
Dünnfilm
auf dem Photoresist durch Abheben entfernt wird. In einem bestimmten
Ausführungsbeispiel
wird der Wafer mit einer Propanonlösung getränkt, so dass sich der metallische
Dünnfilm
entfernen lässt.
Außerdem
wird ein Metallfilm, der sich nicht leicht abheben lässt, durch Ultraschallschwingungen
entfernt. Wenn die Herstellung des Messwafers abgeschlossen ist,
werden die porösen
Messdünnfilme 361–369 aufgebracht,
um die Empfindlichkeit der Messvorrichtung und Selektivität der Messgase
zu erhöhen.
Das poröse
Material wird durch Schleuderbeschichtung direkt auf den Messwafer
aufgebracht. Ferner wird der Messwafer elektrisch mit der externen
Schaltung 32 verbunden, und eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung ist
hergestellt, die einen porösen
Messdünnfilm
aufweist.
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Die
Materialien für
den genannten porösen Dünnfilm werden
unter Polymermaterialien oder nanoporösen Materialien ausgewählt, sind
aber nicht darauf beschränkt.
Die genannten Polymermaterialien umfassen Poly(N-vinylpyrrolidon)
(PNVP), Poly(4-vinylphenol) (P4VP), Polystyrol (PS), Polyvinylacetat
(PVAc), Polystyrol-co-maleinsäureanhydrid (PSMA),
Polyethylenglykole (PEG), Polysulfon (PSu) oder Derivate derselben,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Außerdem
beträgt
die Dicke des endgültigen,
fertig gestellten Dünnfilms
etwa 0,5–10 μm.
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Aus
dem vorher Gesagten ergibt sich, dass der Sensor der vorliegenden
Erfindung für
die Steuervorrichtung 34 genutzt wird; um die Leistung
der externen Schaltung 32 zu schalten, um so nur eine der
externen Schaltungen 32 zu steuern, um Oszillationen als
Ausgabe zu erzeugen. Wenn eine externe Schaltung 32 aktiviert
wird, sind die anderen externen Schaltungen 32 inaktiv,
dadurch ist das Ausgangssignal der Anordnung der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
diskontinuierlich. Daher wird die wechselseitige Störung aller
akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen,
die zur selben Zeit aktiv sind, verhütet. Weil nur eine externe
Schaltung 32 aktiv ist, ist der Maximalwert des Stroms
nur der des Zählregisters 30 und
einer akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung,
so dass die Leistungsaufnahme klein ist. Außerdem werden verschiedene
poröse
Dünnfilme 361–369 zur
Messung verschiedener erfasster Objekte auf der Anordnung der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
angeordnet. Ferner umfassen die Merkmale der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
eine große
Empfindlichkeit gegenüber
Störungen
durch die externe Umgebung. Der Sensor der vorliegenden Erfindung
kann daher gleichzeitig verschiedene erfasste Objekte in einer Umgebung
niedriger Konzentration messen und diese gemessenen Objekte einer
qualitativen oder quantitativen Analyse unterziehen.
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Ferner
wird ein Messverfahren der vorliegenden Erfindung zum Verwenden
des zuvor genannten Sensors der diskontinuierlich arbeitenden Anordnung der
akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
wie folgt offenbart.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Sensor der diskontinuierlich arbeitenden
Anordnung der akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung
in eine Prüfkammer gebracht.
Dann wird mit einem Gasgenerator dampfförmiges Ammoniak zum Testen
von Gasen erzeugt. Die Oberfläche
des akustischen Oberflächenwellensensors
ist zum Messen mit einem porösen
Poly(N-vinylpyrrolidon)(PNVP)-Dünnfilm
bedeckt. 6 zeigt ein Ergebnis beim viermaligen
Wiederholen von Ammoniakzyklen. Pfeil 1 bezeichnet die
Zeit, in der Ammoniak zugeführt
wurde, und Pfeil 2 bezeichnet die Zeit, in der Luft zugeführt wurde.
Es gibt vier Zeitzyklen. Wie in 6 gezeigt,
verringert sich die Frequenzdrift in der Tendenz. Die Stabilität und Wiederholbarkeit
der Schaltung, die mit der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung kombiniert
ist, können
so einen annehmbaren Wert erreichen. Außerdem können der Trend der Frequenzdrift
und die Größe der Frequenzdrift
je nach den verschiedenen gemessenen Gasen variieren.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Sensor der Anordnung der akustischen
Oberflächenwellenoszillatorschaltung
in eine Umgebung gebracht, die fünf
verschiedene Gase zum Testen enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Materialien des porösen Dünnfilms
Polymermaterialien. Mit Bezug auf
7 beschreibt
diese grafische Darstellung die Statistik der Reaktion der fünf verschiedenen
Gase auf sieben verschiedene Messdünnfilme. Die sieben Messdünnfilme
umfassen Poly(4-vinylphenol)
(P4VP), Poly(N-vinylpyrrolidon) (PNVP), Polyvinylacetat (PVAc), Polystyrol
(PS), Polystyrolcomaleinsäureanhydrid (PSMA),
Polyethylenglykole (PEG) und Polysulfon (PSu); und die Gase umfassen
Ethanol, Amin, Trimethylamin (TMA), Methanol und Propanon. Bei der Messung
des Sensors der diskontinuierlich arbeitenden Anordnung der akustischen
Oberflächenwellenoszillatorschaltung
der vorliegenden Erfindung weist die Differenz der Frequenz Δf zwischen
den verschiedenen akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen einen
großen
Wert bei jedem wiederholten Experiment auf. Mit Bezug auf
7 ist
die Vorrichtung, die eine hohe Anfangsfrequenz hat, empfindlicher,
und der Wert von Δf
erhöht
sich. Daher wird in dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Analyse von Daten durch ein Normalisierungsverfahren
ausgeführt,
welches ein Verfahren ist, das zum Berechnen Proportionen gemäß der Gleichung
verwendet, die unten angeführt
wird:
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9 hilft,
jeden Parameter der vorgenannten Gleichung zu verstehen. Symbol
fo bezeichnet eine Anfangsfrequenz des akustischen
Oberflächenwellenwafers,
der keinen aufgebrachten Dünnfilm aus
Polymermaterial hat, wie in 9(a) gezeigt; Symbol
fp bezeichnet eine Frequenz des akustischen Oberflächenwellenwafers,
der mit einem Dünnfilm aus
Polymermaterial beschichtet ist, wie in 9(b) gezeigt;
Symbol fc bezeichnet eine Frequenz des akustischen
Oberflächenwellenwafers,
der mit einem dünnen
Film eines Polymermaterials auf den Oszillationsschaltungen beschichtet
ist, wie in 9(c) gezeigt, und Symbol
fm bezeichnet die Frequenz des akustischen
Oberflächenwellenwafers,
der mit den Oszillationsschaltungen nach den Messgasen kombiniert
ist, wie in 9(d) gezeigt. Jeder Messwafer, der
mit verschiedenen Dünnfilmen
beschichtet ist, kann objektiv und konsistent beobachtet werden.
Außerdem
ist die Reaktion des PNVP-Films mehrfach so groß wie die von anderen Polymermaterialien,
wie in 7 gezeigt. Die Messergebnisse variieren offensichtlich
auf Grund der Merkmale der verschiedenen Filme. Wenn die Empfindlichkeit
höher ist
(Δf ist größer), ist
das Rauschen (Standardabweichung) ebenfalls größer. Außerdem ist an diesem Ausführungsbeispiel
klar zu verstehen, dass der Sensor der vorliegenden Erfindung mindestens
ein gemessenes Objekt gleichzeitig messen kann.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Sensor der diskontinuierlich
arbeitenden Anordnung der akustischen Oberflächenwellenoszillatorschaltung
in eine Umgebung mit verschiedenen Gaskonzentrationen zum Testen
gebracht. Mit Bezug auf 8 ist das Material des Messdünnfilms
dieses Ausführungsbeispiels
Poly(N-vinylpyrrolidon) (PNVP), und das Gas dieses Experimentes
ist Alkohol. Die Anteile des Alkohols variieren zwischen 0% und
100% und werden mit den Restanteilen von Wasser gemischt. 8 zeigt
die Ergebnisse dieses Ausführungsbeispiels,
eine Beziehung zwischen der Veränderung
der gemessenen Frequenz und der variierten Konzentration des Alkohols
ist leicht erkennbar. Ferner ist an diesem Ausführungsbeispiel klar zu verstehen,
dass der Sensor der vorliegenden Erfindung Gase bei verschiedenen Konzentrationen
messen kann. Außerdem
kann der Sensor der vorliegenden Erfindung auf einertragbaren Vorrichtung
angeordnet werden, wie zum Beispiel einem Atemtestgerät für Ethanol.
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Obwohl
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart werden, gegenwärtig als
bevorzugte Ausführungsbeispiele
betrachtet werden, können
verschiedene Änderungen und
Modifizierungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Umgang der
vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung
wird in den angehängten
Ansprüchen
angegeben, und alle Modifizierungen, die innerhalb der Bedeutung und
des Bereichs der Äquivalente
liegen, sollen als darin eingeschlossen gelten.
