NL8402080A - Piezo-elektrische verontreinigingsdetektor. - Google Patents

Description

i '·% N.0. 32.576

Piëzo-elektrische verontreinigingdetector.

De uitvinding heeft betrekking op een piëzo-elektrische verontreinigingdetector voor het bepalen van de massa of laagdikte van de in resp. op een oppervlak van een piëzo-elektrisch trillingsorgaan geadsorbeerde of gecondenseerde gasvormige, vloeibare of vaste stoffen.

5 Aan boord van raketten, satellieten en dergelijke vliegende licha men moet de verontreiniging van kritische onderdelen als gevolg van gassen en verdamping van de toegepaste constructiematerialen, de bekledingen daarvan en smeerstoffen door een restrictieve materiaalkeuze worden begrensd en moet de overblijvende verontreiniging van de kriti-10 sche onderdelen worden gecontroleerd. Bijzonder bedreigde onderdelen zijn: optische elementen, zoals infrarood-optieken, collectoren voor zonne-energie, of mechanische onderdelen zoals kleppen, of constructies die zijn voorzien van thermische strijklagen en andere thermische lagen voor een bepaald thermisch optisch gedrag (emissie- en reflectievermo-15 gen). Door toenemende toepassing van tot zeer lage temperaturen gekoelde optieken en sensoren en door de vervanging van metallische materialen door organische componenten is de problematiek ernstiger geworden en daardoor is een continue, aan boord toegepaste controle van de verontreiniging noodzakelijk.

20 £en van de meest toegepaste meetmethoden berust op de verandering van de trilllngsfrequentie van een piëzo-elektrisch trillingsorgaan door de extra massa van geadsorbeerde of gecondenseerde stoffen in resp. op een dergelijk kristaloppervlak dat naar de gasbron is toegekeerd.

25 Bij detectoren van bekende soort worden twee kwartskristallen toe gepast, een meetkwartskristal en een referentiekwartskristal. Deze worden gewoonlijk boven elkaar aangebracht en wel zodanig dat het meetkwartskristal het referentiekwartskristal bedekt cm te verhinderen dat dit wordt verontreinigd. Voor het selectief bepalen van de adsorptie of 30 condensatie van verschillende stoffen moet de temperatuur van het meet-kristal in het gewenste gebied controleerbaar kunnen worden gevarieerd.

Om meettechnische redenen moet het referentiekwartskristal dezelfde temperatuur aannemen, aangezien de trilllngsfrequentie niet slechts van de massa maar ook van de temperatuur van het kristal afhangt, die met 35 discrete temperatuuropnemers meestal tussen de beide kristallen wordt gemeten.

De temperatuurcontrole kan door een ingebouwd thermo-elektrisch moduul, door de warmte-uitwisseling door middel van van buiten af toe- 1402080 2 r ϊ· ΐ gevoerde, gekoelde resp. verwarmde gassen of vloeistoffen, of door andere geschikte methoden worden uitgevoerd.

Zoals verschillende auteurs hebben aangetoond, kunnen ondanks een compacte wijze van constructie aanzienlijke temperatuurverschillen tus-5 sen beide kwartskristallen ontstaan, die aanleiding geven tot oncontroleerbare en overeenkomstig daarmee niet corrigeerbare meetfouten.

Voorts werd vastgesteld dat met een discrete temperatuuropnemer, die tussen beide kwartskristallen is aangebracht, niet de werkelijke temperatuur van het meetkristal wordt gemeten, maar ongeveer de temperatuur 10 van de ondersteuning van het kwartskristal. Voorts kan met dergelijke detectoropstellingen een verontreiniging van het referentiekwartskris-tal niet volledig worden uitgesloten.

Bij dergelijke detectorontwerpen dient het referentiekwartskristal in de eerste plaats als temperatuurreferentie, aangezien een ideale de-15 tector een meetkwartskristal zonder een. of andere temperatuurcoëffi-cient moet bevatten. Aangezien dergelijke kwartskristallen die voor de betreffende detector geschikt zijn, niet bestaan, wordt daarom een tweede kwartskristal als temperatuurreferentie gebruikt, die op ideale wijze identiek is. Onvermijdelijke fabricagetoleranties van de kristal-20 snijhoek leiden in de praktijk echter tot afwijkende temperatuurcoëffi-cienten tussen beide kwartskristallen, die de meetwaarde vervalsen.

Door D.A. Wallace (Journal of Spacecraft, volume 17, nr 2) werd een gasdetector voorgesteld, waarbij door de toepassing van een dubbel kwartskristal ("doublet crystal") het temperatuurverschil tussen meet-25 en referentiekristal kan worden verminderd. Deze uitvoering heeft echter het nadeel van overspreken tussen de resonantiegebieden, dat wordt bepaald door de mogelijke koppeling tussen de verschillende meet- en referentietrillingen. Deze koppeling geeft aanleiding tot onstabiele frequenties en interferentieverschijnselen.

30 Voor het weer verdampen van de geadsorbeerde en gecondenseerde stoffen wordt in het algemeen het meetkristal verwarmd. Bij de hierboven genoemde detectorontwerpen wordt daarvoor een extra discreet verwarmingselement, of in bepaalde uitvoeringen de hierboven genoemde discrete temperatuuropnemer toegepast. Aangezien de warmte-overdracht in 35 hoofdzaak indirect plaats vindt door stralingsuitwisseling, is het thermische rendement gering en is dus het benodigde elektrische vermogen aanzienlijk.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een piëzo-elektrische verontreinigingdetector van de in de aanhef genoemde soort, waarbij de 40 hierboven genoemde nadelen van onnauwkeurige bepaling en controle van 8402080 » i 3 de temperatuur worden, vermeden.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereid, doordat ten minste het meettrillingsorgaan is voorzien van ten minste een geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne filmtype. Door de nauwkeurige kennis 5 van de kristaltemperatuur is een elektronische of numerieke correctie van de temperatuurinvloed op de trillingsfrequentie mogelijk. Hierdoor bestaat in beginsel de mogelijkheid af te zien van het referentietril-lingsorgaanj dit vereist echter een absolute frequentiemeting, een eis waaraan meestal slechts onder laboratoriumvoorwaarden kan worden vol* 10 daan. Indien niet kan worden afgezien van het referentietrillingsorgaan om redenen van een vereenvoudigde verdere signaalverwerking, wordt door de temperatuurbepaling volgens de uitvinding de mogelijkheid geschapen cm het effect van het snijhoekenverschil en het temperatuurverschil tussen meet- en referentietrillingsorgaan te corrigeren.

15 Als verder voordeel van de detector volgens de uitvinding bestaat de mogelijkheid de geïntegreerde temperatuuropnemer zodanig uit te voeren, dat deze ook toepasbaar is voor de directe verwarming van het kristal, waardoor het thermische' rendement wordt verbeterd en het te gebruiken vetwarmingsvermogen wordt verlaagd. Hiertoe zijn weerstand-20 vergrotende geometrieën, zoals meandervormige dunne-filmstructuren voordelig. Ook bestaat de mogelijkheid ten minste een van de electroden als temperatuuropnemer en/of verwarmingselement uit te voeren. Als meet- en referentietrillingsorganen kunnen alle geschikte materialen en sneden worden toegepast, echter worden bij voorkeur voor deze toepas-25 sing AT- of BT-snede-kwartsresonatoren gebruikt en wel vanwege de economische vervaardigingsmethoden en uitgebreide toepassing daarvan.

Als geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne filmtype kunnen weerstandopnemers, thermo-elementen en halfgeleidersensoren worden gebruikt en bij voorkeur worden voor deze toepassing metallische dunne 30 films toegepast. Deze dunne films kunnen evenals de elektroden worden aangebracht door middel van fysische, chemische en elektrisch chemische gas-, vloeistof- of vaste-stofreacties en bij voorkeur worden in het bijzonder kathodeverstuiving, verdamping of elektrisch chemische neerslag toegepast. ’ 35 De detector volgens de uitvinding kan als een-kristaldetector die als enig piëzo-elektrisch trillingsorgaan het meettrillingsorgaan bevat, als twee-kristaldetector die het meettrillingsorgaan en het referentietrillingsorgaan bevat, alsmede als meer-kristaldetector voor speciale doeleinden worden geconstrueerd. Bovendien zijn verschillende 40 uitvoeringsvormen mogelijk.

8402080 4 #- *

De uitvinding zal hierna aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld van een twee-kristaldetector worden toegelicht.

Fig. 1 illustreert een doorsnede van de inrichting van de veront-reinigingdetector.

5 Fig. 2 toont een bovenaanzicht van de kwartskristalsensoren.

Fig. 3 geeft de montage van de kwartskristallen weer.

Fig. 1 illustreert het meetkwartskristal 1 en het referentiekwartskristal 2, die op de basisplaat 3 van de koel-/verwarmingskamer 4 zijn gemonteerd, deze is door het detectorhuis 5 omsloten. Het referen-10 tiekwartskristal 2 is van het meetkristal 1 door een als verontrei-nigingsscherm werkende scheidingswand 6 en van de verontreinigingsbron door een warmte-doorlatend optisch venster 7 gescheiden. Dit optische venster 7 kan ook in de opening van het detectorhuis worden aangebracht, wanneer het verontreinigingsscherm voldoende is voor de be-15 scheming tegen verontreiniging van het referentiekwartskristal. De zichthoek van meet- en referentiekwartskristal wordt door de diafragma-openingen 8 en 9 daarvan in de koel-/verwarmingskamer 4 en in het detectorhuis 5 bepaald. De koel-/verwarmingskarner 4 wordt door middel van een thermo-elektrisch element 10 op de werktemperatuur gebracht, waar-20 bij de montageflens 11 als warmte-afvoerorgaan bij koeling is uitgevoerd. De elektronische schakeling 12 van de kwartsoscillator is onmiddellijk onder de montageflens 11 en in een thermisch te scheiden huis 13 nabij de beide kwartskristallen ingebouwd. Via een doorvoersteker 14 worden de elektrische signalen aan het meetstelsel toegevoerd.

25 Fig. 2 toont een mogelijke uitvoering van de kwartskristallen, waarbij behalve de elktroden 15 een geïntegreerde, meandervormige tem-peratuuropnemer 16 is aangebracht.

Fig. 3 toont de montage van de kwartskristallen in de koel-/ver-warmingskamer 4. Beide kwartskristallen zijn afzonderlijk door middel 30 van elektrisch geïsoleerde doorvoeren 17 in de basisplaat 3 gemonteerd, waarbij de kwartskristallen zelf door middel van een elastische ophanging 18 aan de doorvoeren 17 zijn bevestigd.

Om de warmteverliezen die door het mogelijke temperatuurverschil tussen' de koel-/verwamingskarner 4 en het detectorhuis 5 ontstaan, laag 35 te houden, zijn de betreffende vlakken 19 voorzien van een thermische strijklaag of andere thermische laag met een geringe, thermisch optische emissie en hoge reflectie in het temperatuurgebied van belang. Dit geldt eveneens voor vlakken die direct zijn blootgesteld aan warmtebronnen, zoals bijvoorbeeld de zon.

40 Aangezien daarentegen de warmte-overdracht tussen de koel-/verwar- 8402080 if % 5 mingskamer 4 en de beide kwartskristallen 1 en 2 zo groot mogelijk moet zijn om een laag benodigd vermogen te bereiken, zijn de binnenvlakken 20 van de koel-/verwarmingskamer 4 zodanig van een thermische strijk-laag of andere thermische laag voorzien, dat in het temperatuurgebied 5 van belang de thermisch optische emissie- en absorptiewaarden zo veel mogelijk de waarden van zwarte lichamen benaderen.

Afgezien van de ruimtevaarttoepassingen kan de detector volgens de uitvinding en de afzonderlijke onderdelen daarvan ook voor de verbetering van detectoren voor conventionele toepassingen worden gebruikt, 10 zoals aangroeisnelheidmonitors voor de bekledingstechnologieën, aero-sol-deeltjesanalysatoren voor milieubescherming en seismische detectoren voor de vroege waarschuwing voor aardbevingen.

8402080

Claims (19)

1. Piëzo-elektrische verontreinigingdetector, met het kenmerk, dat ten minste het piëzo-elektrische meettrillingsorgaan is voorzien 5 van ten minste een geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne film-type.

2. Verontreinigingdetector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ten minste een geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne film-type bestaat uit een weerstandselement.

3. Verontreinigingdetector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ten minste een geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne film-type uit halfgeleidermateriaal bestaat.

4. Verontreinigingdetector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ten minste een geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne filrn- 15 type een thermo-element is.

5. Verontreinigingdetector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ten minste een elektrode eveneens is uitgevoerd als weerstand-tem-peratuuropnemer van het dunne filmtype.

6. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 tot en met 5, met 20 het kenmerk, dat voor het verwarmen van het meettrillingsorgaan een van het meettrillingsorgaan gescheiden weerstandsverwarming is ingebouwd.

7. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat voor het verwannen van het meettrillingsorgaan, op het oppervlak daarvan een geïntegreerde weerstandsverwarming is aange- 25 bracht, die van de temperatuuropnemer van het dunne filmtype is gescheiden.

8. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat de temperatuuropnemer van het dunne filmtype eveneens als verwarmingselement voor het verwarmen van het meettrillingsorgaan 30 is uitgevoerd.

9. Verontreinigingdetector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektroden van het meettrillingsorgaan tevens als temperatuuropnemer van het dunne filmtype en ook als verwarmingselement voor het verwarmen van het meettrillingsorgaan zijn uitgevoerd.

10. Verontreinigingdetector volgens conclusies 2 en 5 tot en met 9, met het kenmerk, dat de geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne filmtype en de verwarmingselementen een weerstand-vergrotende geometrie, in het bijzonder een meandervormige of daarmee overeenkomende structuur hebben.

11. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 tot en met 10, ’84 02 0 80 met het kenmerk, dat behalve het meettrillingsorgaan (1) een tweede re-ferentletrillingsorgaan (2) in de koel-/verwarmingskamer (4) is ingebouwd, dat van het eerste orgaan door een verontreinigingsschild (6) is gescheiden en door een optisch venster (7) tegen verontreiniging maar 5 niet tegen warmtestraling is beschermd.

12. Verontreinigingdetector volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het referentietrillingsorgaan (2) is voorzien van ten minste een of geen geïntegreerde temperatuuropnemer van het dunne filmtype volgens de conclusies 1 tot en met 5.

13. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 en 12, met het kenmerk, dat het optische venster (7) in de wand van de koel-/verwar-mingskamer (4) is aangebracht.

14. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 en 12, met het kenmerk, dat het optische venster (7) in de wand van het detectorhuis 15 (5) is aangebracht.

15. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 en 12, met het kenmerk, dat de koeling/verwarming in de koel-/verwarmingskamer (4) wordt uitgevoerd met een thermo-elektrisch element.

16. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 en 12, met het 20 kenmerk, dat voor het verminderen van de warmte-afgifte van de buitenwand van de koel-/verwarmingskamer (4) aan het detectorhuis (5), de buitenvlakken (19) van de koel-/verwarmingskamer (4) en de binnenvlakken (19) van het detectorhuis (5) ten minste gedeeltelijk zijn voorzien van een thermische strijklaag of andere thermische laag met een gerin- 25 ge, thermisch optische emissie maar met een sterke reflectie.

17. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 en 12, met het kenmerk, dat voor het bevorderen van de warmte-overdracht tussen de koel-/vervarmingskamer (4) en de beide piëzo-elektrische trillingsorga-nen (1 en 2), de binnenvlakken (20) van de koel-/verwarmingskamer (4) 30 ten minste gedeeltelijk zijn voorzien van een thermische strijklaag of andere thermische laag, waarvan de thermisch optische emissie- en ab-sorptiewaarden zo veel mogelijk de waarden van zwarte lichamen benaderen.

18. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 tot en met 17, 35 met het kenmerk, dat de elektroden (15), de geïntegreerde temperatuur- opnemers van het dunne filmtype en de verwarmingselementen door middel van fysische, chemische en elektrisch chemische gas- of vloeistofreacties, of reacties van vaste stoffen worden aangebracht, in het bijzonder door kathodeverstuiving, opdampen en elektrischchemische methoden.

19. Verontreinigingdetector volgens conclusies 1 tot en met 18 8402080 voor het bepalen van massaneerslag door gassen van materialen in vacuum, in het bijzonder in de ruimtevaarttechniek. iï 8402080