RU2092808C1 - Piezoelectric sensor of vapors of mercury - Google Patents

Piezoelectric sensor of vapors of mercury Download PDF

Info

Publication number
RU2092808C1
RU2092808C1 RU95109753A RU95109753A RU2092808C1 RU 2092808 C1 RU2092808 C1 RU 2092808C1 RU 95109753 A RU95109753 A RU 95109753A RU 95109753 A RU95109753 A RU 95109753A RU 2092808 C1 RU2092808 C1 RU 2092808C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
pair
sensor
quartz plate
mercury vapor
Prior art date
Application number
RU95109753A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95109753A (en
Inventor
А.Н. Могилевский
А.Д. Майоров
Original Assignee
Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН filed Critical Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН
Priority to RU95109753A priority Critical patent/RU2092808C1/en
Publication of RU95109753A publication Critical patent/RU95109753A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2092808C1 publication Critical patent/RU2092808C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Abstract

FIELD: analytical instrumentation, ecological control. SUBSTANCE: invention makes it possible to design piezoelectric sensor of vapors of mercury which parameters only slightly depend on ambient temperature. Piezoelectric sensor has quartz plate carrying pair of metal electrodes with sorbing golden surface and film heaters, it is fitted with second pair of metal electrodes with aluminium surface located on quartz plate. EFFECT: expanded application field, enhanced functional reliability. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также для экологического контроля. The invention relates to analytical instrumentation and can be used in various industries, as well as for environmental monitoring.

Известен пьзоэлектрический массочувствительный сенсор, выполненный в виде резонаторов на общей основе [1] Сенсор применяется для контроля массы (толщины) металлических покрытий на различных изделиях при вакуумном напылении покрытий и представляет собой кварцевую пластину с двумя парами металлических электродов, на одну из которых осаждается исследуемое вещество, а другая пара используется в качестве контрольной (эталонной), для чего она прикрывается экранирующей заслонкой. Known is a piezoelectric mass-sensitive sensor made in the form of resonators on a common basis [1] The sensor is used to control the mass (thickness) of metal coatings on various products by vacuum spraying of coatings and is a quartz plate with two pairs of metal electrodes, on one of which the substance is deposited , and the other pair is used as a control (reference), for which it is covered by a screening damper.

Расстояние между парами электродов на кварцевой пластине выбирают исходя из требования независимости акустических колебаний обоих резонаторов друг от друга. The distance between the pairs of electrodes on the quartz plate is selected based on the requirement of independence of the acoustic vibrations of both resonators from each other.

Использование массочувствительного сенсора в виде двух резонаторов - измерительного и эталонного, выполненных на одной кварцевой пластине, существенно снижает температурную погрешность сенсора. Это обусловлено тем, что два резонатора, расположенных на одной кварцевой пластине, имеют одинаковую зависимость собственных частот от температуры. Поэтому разность их частот практически не зависит от температуры, в то время как зависимость разности частот от массы, находящейся на электродах одного из резонаторов, полностью сохраняется. The use of a mass-sensitive sensor in the form of two resonators - measuring and reference, made on the same quartz plate, significantly reduces the temperature error of the sensor. This is due to the fact that two resonators located on the same quartz plate have the same temperature dependence of the natural frequencies. Therefore, the difference in their frequencies is practically independent of temperature, while the dependence of the frequency difference on the mass located on the electrodes of one of the resonators is completely preserved.

Недостатком известного сенсора является существенное усложнение конструкции при использовании его для определения концентрации паров ртути: в отличие от случая контроля массы (толщины пленки) при вакуумном напылении, когда эталонный резонатор достаточно защитить заслонкой, экранирующей его от распыляемого металла, в случае определения концентрации паров ртути эталонный резонатор должен быть закрыт герметически и при этом иметь одинаковый с измерительным резонатором температурный режим. A disadvantage of the known sensor is a significant design complication when used to determine the concentration of mercury vapor: in contrast to the case of mass control (film thickness) during vacuum deposition, when the reference resonator is sufficient to protect with a damper that shields it from the sprayed metal, in the case of determining the concentration of mercury vapor the resonator must be hermetically sealed and at the same time have the same temperature regime as the measuring resonator.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является пьезоэлектрический сенсор паров ртути, включающий кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели [2]
При сорбции паров ртути масса электродов увеличивается и собственная частота резонаторов уменьшается. Изменение частоты пропорционально массе сорбированного вещества. Десорбция ртути осуществляется нагревом резонатора с помощью пленочных нагревателей. Для упрощения конструкции анализатора с массочувствительным пьезоэлектрическим сенсором (кварцевым резонатором) в качестве аналитического сигнала обычно используют изменение разности частот сенсора (измерительного резонатора) и эталонного резонатора, находящегося в герметичной оболочке.The closest technical solution to the proposed one is a piezoelectric mercury vapor sensor, including a quartz plate and a pair of metal electrodes with a sorbing gold surface and film heaters located on it [2]
During sorption of mercury vapor, the mass of the electrodes increases and the natural frequency of the resonators decreases. The change in frequency is proportional to the mass of the sorbed substance. Mercury desorption is carried out by heating the resonator using film heaters. To simplify the design of an analyzer with a mass-sensitive piezoelectric sensor (quartz resonator), the frequency difference between the sensor (measuring resonator) and the reference resonator located in an airtight shell is usually used as an analytical signal.

Недостатком известного пьезоэлектрического сенсора паров ртути является зависимость собственной частоты резонатора от температуры окружающей среды, что приводит к ошибкам измерения паров ртути при изменении температуры во время измерения. A disadvantage of the known piezoelectric mercury vapor sensor is the dependence of the natural frequency of the resonator on the ambient temperature, which leads to errors in the measurement of mercury vapor when the temperature changes during measurement.

Задачей изобретения является создание пьезоэлектрического сенсора паров ртути, параметры которого слабо зависят от температуры окружающей среды. The objective of the invention is to provide a piezoelectric sensor for mercury vapor, the parameters of which are weakly dependent on ambient temperature.

Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический сенсор паров ртути, включающий кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели, снабжен второй парой металлических электродов с алюминиевой поверхностью, размещенных на кварцевой пластине. The problem is solved in that the piezoelectric mercury vapor sensor, including a quartz plate and a pair of metal electrodes with a sorbing gold surface and film heaters located on it, is equipped with a second pair of metal electrodes with an aluminum surface placed on the quartz plate.

Кроме того, при выполнении сенсора возможно нанесение на одну пару электродов золотого покрытия, а на вторую пару покрытия из алюминия или выполнение электродов из алюминия, при этом на одну из пар нанесено покрытие из золота или одна пара электродов выполнена из золота, а вторая пара электродов из алюминия. In addition, when performing the sensor, it is possible to apply a gold coating on one pair of electrodes, and on the second pair of aluminum coatings or to make aluminum electrodes, while one of the pairs is coated with gold or one pair of electrodes is made of gold, and the second pair of electrodes from aluminum.

На фиг. 1 представлен общий вид пьезометрического сенсора паров ртути, на фиг. 2 разрез А А фиг. 1, на фиг. 3 график изменения частот измерительного и эталонного резонаторов при воздействии на них парами ртути, на фиг. 4 график, отражающий влияние изменения температуры на частоту измерительного резонатора и на разность частот измерительного и эталонного резонаторов. In FIG. 1 is a perspective view of a piezometric mercury vapor sensor; FIG. 2, section A A of FIG. 1, in FIG. 3 is a graph of frequency variation of the measuring and reference resonators when exposed to mercury vapor, FIG. 4 is a graph reflecting the effect of temperature changes on the frequency of the measuring resonator and on the frequency difference of the measuring and reference resonators.

Пьезоэлектрический сенсор паров ртути (фиг. 1, 2) выполнен в виде кварцевой пластины 1, вырезанной под определенным углом к кристаллографическим осям (обычно наиболее целесообразно использовать АТ-срез, при котором возникают толщинно-сдвиговые колебания). На пластину 1 нанесены две пары металлических электродов измерительные электроды 2 и эталонные электроды 3 (конкретный состав материала электродов не имеет принципиального значения - должна обеспечиваться только достаточная величина адгезии к кварцу). На измерительные электроды 2 нанесено золотое покрытие 4, а на электроды 3 - алюминиевое покрытие 5. Электрические выводы 6 от всех электродов выведены на торцевые части кварцевой пластины 1. Расстояние между центрами электродов 2 и 3 выбирается исходя из необходимости обеспечения независимости акустических колебаний в резонаторах, образованных электродами 2 и 3 на общей кварцевой пластине 1. Практически достаточно, если расстояние между центрами электродов в 2 3 раза превышает линейный размер электродов в том же направлении. Кроме электродов на поверхности кварцевой пластины 1 нанесены пленочные нагреватели 7. При изготовлении предложенного сенсора можно с целью упрощения вместо нанесения на металлические электроды 2 и 3 золотого 4 и алюминиевого 5 покрытий изготовлять электроды из алюминия, а на одну пару наносить золотое покрытие. Возможно также изготовление электродов 2 и 3 вообще без покрытий при этом одна пара электродов выполняется из золота, а другая из алюминия. Пленочные нагреватели 7 могут быть изготовлены из любого металла или сплава, например нихрома. The piezoelectric mercury vapor sensor (Fig. 1, 2) is made in the form of a quartz plate 1 cut at a certain angle to the crystallographic axes (it is usually most advisable to use an AT-slice in which thickness-shear vibrations occur). Two pairs of metal electrodes are applied to the plate 1, measuring electrodes 2 and reference electrodes 3 (the specific composition of the material of the electrodes is not of fundamental importance - only a sufficient amount of adhesion to quartz should be ensured). A gold coating 4 is applied to the measuring electrodes 2, and an aluminum coating 5 is applied to the electrodes 3. Electrical leads 6 from all electrodes are led to the end parts of the quartz plate 1. The distance between the centers of the electrodes 2 and 3 is selected based on the need to ensure the independence of acoustic vibrations in the resonators, formed by electrodes 2 and 3 on a common quartz plate 1. It is practically enough if the distance between the centers of the electrodes is 2 3 times the linear size of the electrodes in the same direction. In addition to the electrodes, film heaters 7 are applied to the surface of the quartz plate 1. In the manufacture of the proposed sensor, instead of applying gold 4 and aluminum 5 coatings to metal electrodes 2 and 3, it is possible to manufacture aluminum electrodes and apply a gold coating on one pair. It is also possible to manufacture electrodes 2 and 3 without any coating at all, while one pair of electrodes is made of gold and the other of aluminum. Film heaters 7 can be made of any metal or alloy, such as nichrome.

Пьезоэлектрический сенсор паров ртути работает следующим образом. В обоих резонаторах, образованных электродами 2 и 3 на общей кварцевой пластине 1, возбуждают известным способом акустические колебания с близкими частотами fизм (резонатор с электродами 2) и fэт (резонатор с электродами 3). При этом fизм <fэт. Смесь паров ртути с воздухом подводят к пьезоэлектрическому сенсору. Пары ртути сорбируются золотым покрытием 4 измерительных электродов 2. Вследствие этого частота fизм измерительного резонатора, образованного измерительными электродами 2 и кварцевой пластиной 1, начинает уменьшаться (фиг. 3). Скорость уменьшения частоты fизм пропорциональна концентрации паров ртути.A piezoelectric mercury vapor sensor operates as follows. In both resonators formed by electrodes 2 and 3 on a common quartz plate 1, acoustic oscillations are excited in a known manner with close frequencies f ISM (resonator with electrodes 2) and f et (resonator with electrodes 3). Moreover, f meas <f et . A mixture of mercury vapor with air is fed to a piezoelectric sensor. Mercury vapor is sorbed by the gold coating 4 of the measuring electrodes 2. As a result, the frequency f ISM of the measuring resonator formed by the measuring electrodes 2 and the quartz plate 1 begins to decrease (Fig. 3). The rate of decrease in the frequency f ISM is proportional to the concentration of mercury vapor.

Как показали специальные измерения, покрытие 5, выполненное из алюминия, не сорбирует паров ртути. Поэтому частота fэт эталонного резонатора, образованного эталонными электродами 3 и кварцевой пластиной 1, остается неизменной в процессе измерения (fэт const), а разностная частота fразн fэт fизм изменяется вследствие сорбции паров ртути электродами 2 измерительного резонатора.As shown by special measurements, the coating 5, made of aluminum, does not absorb mercury vapor. Therefore, the reference frequency f fl resonator formed by the reference electrode 3 and the quartz plate 1 remains constant during the measurement (f et const), and the difference frequency f diff f fl f MOD is changed due to adsorption of mercury vapor measuring electrodes 2 resonator.

Измеряемая концентрация паров ртути СHg определяется по соотношению:

Figure 00000002

где k численный коэффициент сенсора;
Δfразн изменение разностной частоты в процессе измерения fразн fразн(t2) fразн(t1),
t2 t1 временной интервал, в течение которого происходит сорбция паров ртути золотым покрытием 4 измерительных электродов 2.The measured concentration of mercury vapor With Hg is determined by the ratio:
Figure 00000002

where k is the numerical coefficient of the sensor;
Δf different changes in the difference frequency in the measurement process f different f different (t 2 ) f different (t 1 ),
t 2 t 1 the time interval during which sorption of mercury vapor by gold coating 4 measuring electrodes 2.

При изменении в процессе измерения температуры окружающей среды частоты измерительного и эталонного резонаторов изменяются. Однако, поскольку резонаторы выполнены на одной кварцевой пластине, их температурные коэффициенты практически одинаковы и, следовательно, разностная частота fразн fэт fизм не зависит (или очень слабо зависит) от изменения температуры.With a change in the process of measuring the ambient temperature, the frequencies of the measuring and reference resonators change. However, since the resonators are made on the same quartz plate, their temperature coefficients are almost the same and, therefore, the difference frequency f diff f et f ism does not depend (or very weakly depends) on the temperature change.

После измерения производится термическая десорбция ртути с электродов 2 и 3 сенсора путем его нагревания с помощью пленочных нагревателей 7. After the measurement, thermal desorption of mercury from the electrodes 2 and 3 of the sensor is carried out by heating it using film heaters 7.

Пример выполнения сенсора. An example of a sensor.

Сенсор, конструкция которого изображена на фиг. 1, 2, выполнен на кварцевой пластине 1 размерами 14 х 9 х 0,17 мм. Кристаллографический срез - типа АТ (толщинно-сдвиговые колебания). Hа пластину 1 нанесены две пары электродов 2 и 3 из никеля размером 2 х 2 мм с расстоянием между центрами электродов 6 мм. На одну пару электродов 2 вакуумным напылением нанесено золотое покрытие толщиной ≈ 0,1 мкм, на другую 3 покрытие из алюминия толщиной ≈ 0,7 мкм (разные толщины покрытий выбраны для того, чтобы получить одинаковые массы покрытий и тем самым близость частот измерительного и эталонного резонаторов). Частоты измерительного и эталонного резонаторов составили fизм 10000,550 кГц; fэт 10010,600 кГц, а разностная частота fразн 10,050 кГц. Hа обеих поверхностях кварцевой пластины нанесены также соединенные параллельно пленочные нагреватели 7 из нихрома, окружающие полукольцом измерительные 2 и эталонные 3 электроды. Пары ртути создавались методом испарения с открытой поверхности с последующим разбавлением их воздухом. Концентрация паров ртути контролировалась ртутным атомно-абсорбционным фотометром. Калибровочный коэффициент сенсора паров ртути составил k 0,04 мин/Гц•мг/м3.The sensor whose construction is depicted in FIG. 1, 2, is made on a quartz plate 1 with dimensions of 14 x 9 x 0.17 mm. Crystallographic section - type AT (thickness-shear vibrations). Two pairs of nickel electrodes 2 and 3 of 2 x 2 mm in size with a distance between the centers of the electrodes of 6 mm are deposited on plate 1. A gold coating with a thickness of ≈ 0.1 μm was applied to one pair of electrodes 2 by vacuum deposition, and another 3 coatings of aluminum ≈ 0.7 μm thick were applied to the other 3 electrodes (different coating thicknesses were chosen in order to obtain the same coating masses and thereby the proximity of the measurement and reference frequencies resonators). Frequency measurement and reference resonators made f ism 10000.550 kHz; f et 10010.600 kHz, and the difference frequency f different 10.050 kHz. On both surfaces of the quartz plate are also applied parallel connected film heaters 7 of nichrome, surrounding measuring rings 2 and reference 3 electrodes. Mercury vapor was created by evaporation from an open surface, followed by dilution with air. The concentration of mercury vapor was monitored by a mercury atomic absorption photometer. The calibration coefficient of the mercury vapor sensor was k 0.04 min / Hz • mg / m 3 .

При измерениях концетрации паров ртути СHg 0,10 мг/м3 изменение разностной частоты в процессе измерения составило Δfразн 9,5 Гц, а временной интервал, в течение которого разностная частота изменилась на эту величину, составил t2 t1 4,0 мин, отсюда СHg 0,095 мг/м3 (погрешность измерения δ 5%).When measuring the concentration of mercury vapor With Hg 0.10 mg / m 3, the difference in the difference frequency during the measurement was Δf different 9.5 Hz, and the time interval during which the difference frequency changed by this value was t 2 t 1 4.0 min, hence C Hg 0.095 mg / m 3 (measurement error δ 5%).

Измерения влияния температуры (фиг. 4) показали, что при изменении температуры на величину Т 5oC изменение частот измерительного и эталонного резонаторов составили соответственно 11,0 Гц и 11,9 Гц и, следовательно, разностная частота изменилась только на 0,9 Гц. Полученные данные позволяют сделать вывод, что при измерении концентраций паров ртути на уровне 0,1 мг/м3 и при изменении температуры на 1oC погрешность измерения для предложенного сенсора составит:

Figure 00000003
, а для известного сенсора
при прочих равных параметрах
Figure 00000004
, т.е. в 12 раз больше.Measurements of the effect of temperature (Fig. 4) showed that when the temperature changes by a value of T 5 o C, the change in the frequencies of the measuring and reference resonators was 11.0 Hz and 11.9 Hz, respectively, and therefore the difference frequency changed only by 0.9 Hz . The data obtained allow us to conclude that when measuring mercury vapor concentrations at the level of 0.1 mg / m 3 and when the temperature changes by 1 o C, the measurement error for the proposed sensor will be:
Figure 00000003
, but for the famous sensor
ceteris paribus
Figure 00000004
, i.e. 12 times more.

Claims (4)

1. Пьезоэлектрический сенсор паров ртути, включающий кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели, отличающийся тем, что сенсор снабжен второй парой металлических электродов с алюминиевой поверхностью, размещенных на кварцевой пластине. 1. A piezoelectric mercury vapor sensor comprising a quartz plate and a pair of metal electrodes with a sorbing gold surface and film heaters located on it, characterized in that the sensor is equipped with a second pair of metal electrodes with an aluminum surface placed on the quartz plate. 2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что на одну пару электродов нанесено золотое покрытие, а на вторую пару покрытие из алюминия. 2. The sensor according to claim 1, characterized in that one pair of electrodes is coated with a gold coating, and the second pair is coated with aluminum. 3. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из алюминия, при этом на одну из пар нанесено покрытие из золота. 3. The sensor according to claim 1, characterized in that the electrodes are made of aluminum, while one of the pairs is coated with gold. 4. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что одна пара электродов выполнена из золота, а вторая пара из алюминия. 4. The sensor according to claim 1, characterized in that one pair of electrodes is made of gold, and the second pair of aluminum.
RU95109753A 1995-06-13 1995-06-13 Piezoelectric sensor of vapors of mercury RU2092808C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95109753A RU2092808C1 (en) 1995-06-13 1995-06-13 Piezoelectric sensor of vapors of mercury

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95109753A RU2092808C1 (en) 1995-06-13 1995-06-13 Piezoelectric sensor of vapors of mercury

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95109753A RU95109753A (en) 1997-06-20
RU2092808C1 true RU2092808C1 (en) 1997-10-10

Family

ID=20168822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95109753A RU2092808C1 (en) 1995-06-13 1995-06-13 Piezoelectric sensor of vapors of mercury

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2092808C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. J.Ph.Termenlen et all. The Use of Double Oscillating Quartz Crystals in Mass Determination. Progress in Vacuum Microbalance Techniques. V.1. - London: 1972, p.41 - 47. 2. Авторское свидетельство РФ N 1772690, кл. G 01N 5/00, 1993. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU95109753A (en) 1997-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5992215A (en) Surface acoustic wave mercury vapor sensors
US4361026A (en) Method and apparatus for sensing fluids using surface acoustic waves
EP0943903B1 (en) Mass sensor and mass detection method
Lu et al. Applications of piezoelectric quartz crystal microbalances
Berry et al. Vibrating reed internal friction apparatus for films and foils
WO2000026636A1 (en) Qcm sensor
WO1997045723A1 (en) Improved piezoelectric resonator chemical sensing device
US20020139190A1 (en) High-precision integrated semiconductor peizoresistive detector devices and methods using the same
JPH04233436A (en) Surface wave gas sensor
US20060179918A1 (en) Gas chromatograph and quartz crystal microbalance sensor apparatus
Lei et al. A novel serial high frequency surface acoustic wave humidity sensor
Kabir et al. A silver electrode based surface acoustic wave (SAW) mercury vapor sensor: A physio-chemical and analytical investigation
CN107290392B (en) QCM humidity sensor for high-stability low-humidity detection and preparation method thereof
RU2092808C1 (en) Piezoelectric sensor of vapors of mercury
US20040244466A1 (en) Ammonia gas sensor and its manufacturing method
Benetti et al. SAW sensors on AlN/Diamond/Si structures
JP3319055B2 (en) Quartz crystal type radical beam monitor
RU2298781C2 (en) Device for measuring gas moisture
Endres et al. A gas sensor system with dielectric and mass sensors
JP3884680B2 (en) Chemical sensor and manufacturing method thereof
RU2123685C1 (en) Ammonia vapor sensor
Rapp et al. Influence of phase position on the chemical response of oscillator driven polymer coated SAW resonators
JP3954430B2 (en) Concentration measurement method
SU1744590A1 (en) Hygrometer
JPH03282349A (en) Detecting method for humidity