RU190740U1

RU190740U1 - PIEZORESONANCE SORPTION SENSOR OF GAS SUBSTANCE CONCENTRATION

Info

Publication number: RU190740U1
Application number: RU2018141751U
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Симонов
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-07-11

Abstract

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, в частности к области измерения концентрации газов или паров. Пьезорезонансный сорбционный сенсор концентрации газообразного ацетона содержит пьезоэлемент, на обе поверхности которого нанесена пленка сорбента из полиметилметакрилата. Толщина пленки выбрана из интервала 0,4-0,6% от толщины пьезоэлемента. Техническим результатом полезной модели является повышение чувствительности сенсора. 2 ил.The invention relates to analytical instrumentation, in particular to the field of measuring the concentration of gases or vapors. The piezoresonance sorption sensor for the concentration of acetone gas contains a piezoelectric element on which both surfaces are coated with a film of polymethyl methacrylate sorbent. The film thickness is selected from the interval of 0.4-0.6% of the thickness of the piezoelectric element. The technical result of the utility model is to increase the sensitivity of the sensor. 2 Il.

Description

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, в частности к области измерения концентрации тех или иных газообразных, включая пар, веществ в воздухе или ином газе. Она может применяться в медицине для определения сахарного диабета на ранней стадии путем анализа выдыхаемого человеком воздуха на наличие критического содержания паров ацетона, а также в промышленности, например, для предупреждения пожароопасных и взрывоопасных ситуаций в производстве, химических исследованиях и т.д.The utility model relates to analytical instrumentation, in particular to the field of measuring the concentration of certain gaseous, including steam, substances in air or another gas. It can be used in medicine to determine diabetes mellitus at an early stage by analyzing the air exhaled by a person for the presence of the critical content of acetone vapors, as well as in industry, for example, to prevent flammable and explosive situations in production, chemical research, etc.

Существует целый класс пьезосорбционных измерительных устройств для измерения концентрации газообразных химических веществ (Малов В.В., Пьезорезонансные датчики, Энергоатомиздат, Москва, 1989 г.). Эти устройства представляют собой измерительный комплекс, в состав которого входят пьезорезонансный сенсор (далее просто сенсор), схема возбуждения в нем механических колебаний и устройство, которое формирует выходной сигнал, пропорциональный измеряемой концентрации. Сенсор представляет собой пьезорезонатор (ПР), обычно кварцевый, содержащий пьезоэлемент в форме пластины, на которую нанесена пленка из материала, являющегося сорбентом к веществу (газу или пару), концентрацию которого необходимо измерять. При изменении концентрации вещества изменяется количество поглощенного пленкой вещества, что приводит к изменению параметров ПР. Обычно таким параметром является резонансная частота толщино-сдвиговых колебаний пьезоэлемента. Пленка сорбента в пьезорезонансном сенсоре обычно используется в режиме пассивного с точки зрения колебаний слоя - только как масса, изменяющаяся в зависимости от концентрации измеряемого вещества (далее аналита). Разработчики этих сенсоров работают исключительно над подбором материала пленки с максимальной сорбционной емкостью. При этом технология нанесения пленки представляет собой нанесение раствора полимера с последующим высушиванием растворителя. В результате полезное изменение частоты сенсора не превышает 1 Гц на 1 ррм измеряемой концентрации, что часто становится недостаточным для современной химической и медико-биологической науки.There is a whole class of piezo sorption measuring devices for measuring the concentration of gaseous chemical substances (Malov VV, Piezoresonance sensors, Energoatomizdat, Moscow, 1989). These devices are a measuring complex, which consists of a piezoresonance sensor (hereinafter referred to simply as a sensor), a circuit of excitation of mechanical oscillations in it and a device that generates an output signal proportional to the measured concentration. The sensor is a piezoresonator (PR), usually quartz, containing a piezoelectric element in the form of a plate on which a film of a material that is a sorbent to a substance (gas or pair) is applied, whose concentration should be measured. When the concentration of the substance changes, the amount of the substance absorbed by the film changes, which leads to a change in the PR parameters. Usually, this parameter is the resonant frequency of the thick-shear oscillations of the piezoelectric element. The sorbent film in a piezoresonance sensor is usually used in the passive mode from the point of view of vibrations of the layer - only as a mass, which varies depending on the concentration of the measured substance (hereinafter the analyte). The developers of these sensors work exclusively on the selection of the film material with the maximum sorption capacity. In this case, the technology of film deposition is the application of a polymer solution followed by drying of the solvent. As a result, the useful change in the sensor frequency does not exceed 1 Hz per 1 ppm of the measured concentration, which often becomes insufficient for modern chemical and biomedical science.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели, ее прототипом, является химический сенсор паров ацетона, в котором в качестве чувствительной пленки используется полиметилметакрилат (ПММА), нанесенный на поверхность кварцевого пьезоэлемента методом плазменной полимеризации (S.P. Russell, D.H. Weinkauf, «Vapor Sorption in Plasma Polymerized Vinyl Acetate and Methyl Methacrylate Thin Films» // Polymer. V. 42. 2001. P. 2827-2836). Пленка нанесена на ПР частотой 10 МГц. Толщина пленки сенсора-прототипа составляет 0,045% от толщины пьезоэлемента. Сенсор с такой пленкой имеет в 2 раза более высокую сорбционную емкость и соответственно в 2 раза более высокую чувствительность к парам ацетона по сравнению с сенсором, изготовленным по традиционной технологии. Однако, даже при таком подходе чувствительность сенсора оказывается недостаточной для определения критической концентрации паров ацетона в выдыхаемом воздухе больного сахарным диабетом.The closest analogue to the proposed utility model, its prototype, is a chemical sensor of acetone vapor, in which polymethyl methacrylate (PMMA) is used as a sensitive film deposited on the surface of a quartz piezoelectric element by the method of plasma polymerization (SP Russell, DH Weinkauf, "Vapor Sorption in Plasma Polymerized Vinyl Acetate and Methyl Methacrylate Thin Films "// Polymer. V. 42. 2001. P. 2827-2836). The film is applied to the PR frequency of 10 MHz. The film thickness of the prototype sensor is 0.045% of the thickness of the piezoelectric element. A sensor with such a film has a 2 times higher sorption capacity and, accordingly, 2 times higher sensitivity to acetone vapors compared to a sensor made according to traditional technology. However, even with this approach, the sensitivity of the sensor is insufficient to determine the critical concentration of acetone vapors in the exhaled air of a diabetic patient.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении чувствительности сенсора.The technical result of the proposed utility model is to increase the sensitivity of the sensor.

Достижение указанного результата обеспечивается тем, что в пьезорезонансном сорбционном сенсоре концентрации газообразного ацетона, содержащем пьезоэлемент, на обе поверхности которого нанесена пленка полиметилметакрилата, толщина пленки выбрана из интервала 0,4-0,6% от толщины пьезоэлемента.The achievement of this result is ensured by the fact that in the piezoresonance sorption sensor, the concentration of gaseous acetone containing a piezoelement, on both surfaces of which a polymethyl methacrylate film is applied, the film thickness is selected from the interval of 0.4-0.6% of the piezoelectric thickness.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что выходной сигнал пьезорезонансного сенсора - изменение частоты колебаний ПР - зависит не только от массы поглощаемого сорбентом аналита, но и от изменения под влиянием аналита модуля упругости пленки. Это дополнительное приращение приводит к увеличению коэффициента преобразования сенсора, и оно тем выше, чем больше толщина пленки. Однако такое увеличение сопровождается увеличением влияния модуля потерь пленки, выражающееся в повышении кратковременной нестабильности частоты (шума) выходного сигнала. В результате, начиная с некоторого значения толщины пленки, повышение коэффициента преобразования компенсируется повышением нестабильности выходного сигнала и, как следствие, ухудшением чувствительности сенсора. Таким образом, существует область оптимальных значений толщины пленки, при которой чувствительность сенсора максимальна. Эта область определяется соотношением между модулями упругости и потерь материала пленки, т.е. материалом пленки и между толщинами пленки и пьезолемента. Для пленки из ПММА оптимальная толщина пленки находится в интервале 0,4-0,6% от толщины пьезоэлемента.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the output signal of the piezoresonance sensor - changing the oscillation frequency of the PR - depends not only on the mass of the analyte absorbed by the sorbent, but also on the change of the elastic modulus of the film under the influence of the analyte. This additional increment leads to an increase in the coefficient of conversion of the sensor, and it is the higher, the greater the thickness of the film. However, this increase is accompanied by an increase in the effect of the film loss modulus, which is expressed in an increase in the short-term frequency instability (noise) of the output signal. As a result, starting from a certain film thickness, the increase in the conversion coefficient is compensated by an increase in the instability of the output signal and, as a result, a deterioration in the sensitivity of the sensor. Thus, there is a region of optimal values of the film thickness, at which the sensitivity of the sensor is maximum. This area is determined by the ratio between the moduli of elasticity and loss of the film material, i.e. the material of the film and between the thickness of the film and piezoelement. For a PMMA film, the optimum film thickness is in the range of 0.4-0.6% of the thickness of the piezoelectric element.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется Фиг. 1 и Фиг. 2.The proposed utility model is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2

На Фиг. 1 изображен внешний вид сенсора.FIG. 1 shows the appearance of the sensor.

На Фиг. 2 изображен график зависимости коэффициента К(h/H), отображающего, во сколько раз повышается чувствительность сенсора паров ацетона при значениях толщины пленки ПММА, отличных от оптимального значения, равного 0,5% от толщины пьезоэлемента.FIG. 2 shows a graph of the coefficient K (h / H), which reflects how many times the sensitivity of the acetone vapor sensor increases with PMMA film thickness values other than the optimal value equal to 0.5% of the thickness of the piezoelectric element.

На Фиг. 1 используются следующие обозначения. 1 - пьезоэлемент, 2 - электроды, 3 - выводы, 4 - основание, 5 - пленка сорбента, Н - толщина пьезоэлемента, h - толщина пленки.FIG. 1 the following notation is used. 1 - piezoelement, 2 - electrodes, 3 - conclusions, 4 - base, 5 - sorbent film, H - thickness of the piezoelectric element, h - film thickness.

Сенсор на примере измерителя концентрации паров ацетона (Фиг. 1) выполнен на основе кварцевого пьезоэлемента 1, выполненного в форме пластины, на которую нанесены металлические пленочные электроды 2. Эти электроды соединены с выводами 3. Выводы 3 и пьезоэлемент 1 смонтированы на основании 4. На обе поверхности пьезоэлемента 1 нанесены пленки сорбента 5, выполненные, из ПММА толщиной h. Частота колебаний пьезоэлемента 1 при толщине пьезоэлемента Н=330 мкм составляет 5 МГц. Толщина пленок лежит в пределах h=(1,32-1,98) мкм, что составляет 0,4-0,6% от толщины Н.The sensor, using the example of an acetone vapor concentration meter (Fig. 1), is made on the basis of a quartz piezoelectric element 1, made in the form of a plate, on which metal film electrodes 2 are applied. These electrodes are connected to the terminals 3. The conclusions 3 and the piezoelectric element 1 are mounted on the base 4. On both surfaces of the piezoelectric element 1 are applied sorbent films 5, made of PMMA with a thickness h. The oscillation frequency of the piezoelectric element 1 with a thickness of the piezoelectric element H = 330 μm is 5 MHz. The thickness of the films lies within h = (1.32-1.98) μm, which is 0.4-0.6% of the thickness N.

Устройство работает следующим образом. При изменении концентрации паров анализируемого вещества ацетона нарушается термодинамическое равновесие между количеством молекул пара над поверхностью пленки и в объеме пленки. В результате изменяется масса пленки и модули упругости и потерь материала пленки. Как следствие, изменяется резонансная частота сенсора, являющаяся выходным сигналом. Поскольку толщина пленок выбрана из диапазона толщин (1,32-1,98) мкм, сенсор обладает максимально возможной для данного аналита (ацетона), данного материала пленки (ПММА) и толщины пьезоэлемента (330 мкм) способностью почувствовать пары ацетона. Зависимость Фиг. 2 показывает, что чувствительность сенсора по предлагаемому техническому решению, у которого h/H=0,5% примерно в 30 раз выше, чем у прототипа, у которого отношение h/H=0,045%. Этот результат был подтвержден экспериментально в процессе работ над проектом №16-07-00097а, поддержанным Российским Фондом фундаментальных исследований.The device works as follows. When changing the vapor concentration of the analyte acetone, the thermodynamic equilibrium between the number of vapor molecules above the film surface and in the film bulk is disturbed. As a result, the mass of the film and the elastic moduli and losses of the film material change. As a result, the resonant frequency of the sensor, which is the output signal, changes. Since the film thickness is selected from the thickness range (1.32-1.98) μm, the sensor has the maximum possible ability for this analyte (acetone), this film material (PMMA) and thickness of the piezoelement (330 μm) to sense acetone vapor. Dependency FIG. 2 shows that the sensitivity of the sensor according to the proposed technical solution, in which h / H = 0.5% is about 30 times higher than that of the prototype, in which the ratio h / H = 0.045%. This result was confirmed experimentally in the process of working on project No. 16-07-00097a, supported by the Russian Foundation for Basic Research.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить чувствительность пьезорезонансных сенсоров концентрации газообразного ацетона на порядок и более.Thus, the proposed utility model allows to increase the sensitivity of piezoresonance sensors for the concentration of acetone gas by an order of magnitude or more.

Claims

A piezoresonance sorption sensor for the concentration of acetone gas containing a piezoelectric element on which both surfaces are coated with a film of polymethyl methacrylate, characterized in that the thickness of the sorbent film is selected from the range of 0.4-0.6% of the thickness of the piezoelectric element.