SU1105803A1

SU1105803A1 - Pickup for measuring gas concentration

Info

Publication number: SU1105803A1
Application number: SU833605128A
Authority: SU
Inventors: Владимир Михайлович Колешко; Юрий Васильевич Мешков
Original assignee: Институт электроники АН БССР
Priority date: 1983-06-10
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1984-07-30

Abstract

ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ, содержащий подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, образующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительные пленки, расположенные между излучател ми и приемниками измерительных трактов, отличающийс тем, что, с целью повышени чувствительности и точности датчика при одновременном снижении . его габаритов, рабоча поверхность подложки выполнена в виде идентичных пр моугольных гребенчатых структур, на которых размещены га очувствительные пленки. СО сA SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF GASES containing a substrate, emitters and receivers of a surface acoustic wave, forming measuring and compensating paths, and gas sensitive films located between the radiators and receivers of measuring paths, characterized in that in order to increase the sensitivity and accuracy of the sensor while reducing . its dimensions, the working surface of the substrate is made in the form of identical rectangular comb structures on which sensitive films are placed. SO with

Description

о елabout ate

X)X)

11 Пгобретение относитс к неразруша ющему контролю и может быть использо вано дл газового анализа и контрол концентрации различных газов по скорости распространени ультразвуковых волн. Известен датчик дл измерени кон центрации водорода, содержащий подложку , входной и выходной преобразователи поверхностных акустических волн и пленку, чувствительную к водороду ij . Недостатком данного датчика вл етс его температурна нестабильност вследствие значительного вли ни изм нений температуры на скорость распро странени поверхностных акустических волн (ПАВ), Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату вл етс датчик дл из менени концентрации газов, содержащий подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, об разующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительные пленки, расположенные между излучател ми и приемниками измерительных трактов 2J . Однако известный датчик имеет ограниченные точность и чувствительность измерений из-за незначительной длины газочувствительной пленки, вли ни друг на друга .измерительного и компенсирующего трактов, различи условий распространени поверхностных акустических волн вследствие температурных и механических градиентов в подложке. Цель изобретени - повьшгение чувствительности и точности датчика при одновременном снижении его габаритов Указанна цель достигаетс тем, что в датчике дл измерени концентрации газов, содержащем подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, образующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительные пленки, располо женные между излучател ми и приемниками измерительных трактов, рабоча поверхность подложки выполнена в виде идентичных пр моугольных гребенча тых структур, на которых размещены газочувствительные пленки. На фиг, 1 представлен вариант датчика дл измерени двух компонентов газов одним датчиком; на фиг.2 3 то же, с удлиненным трактом распространени ПАВ, Позици ми на фиг, 1 приведены схемы возбуждени ПАВ на основе; б преобразовани объемных волн в ПАВ системой пазов; в - возбуждени изгибной моды пр моугольной гребенчатой структуры с помощью пьезопреобразовател , закрепленного на боковой стенке гребн ; г - возбуждени ПАВ краевым преобразователем; д - возбуждени с помощью встречно-штыревых преобразователей (ВШП) ПАВ с использованием дл подложки из непьезоэлектрического материала пьезоэлектрической пленки. Позици ми на фиг. 2 обозначены варианты размещений газочувствительной пленки: б - только на верхнкно поверхность гребенчатой структуры; в - на верхнюю и боковые поверхности гребенчатой структуры; г-на верхнюю и всю боковую поверхности гребенчатой структуры при нанесении в зких и жидких пленок. Датчик ,дл измерени концентрации газов содержит подложку 1, на поверхности которой путем ее локальной деформации выполнены гребенчатые структуры 2-5, пр моугольные в поперечном сечении, на каждой из которых размещены соответствующие входные 6-9 и выходные 10-13 преобразователи ЦАВ, На поверхность гребенчатой структуры 3 между входным 7 и выходным 11 преобразовател ми , ПАВ нанесена пленка 14 вещества, избирательно чувствительного к одной из измер емых компонент газов. Аналогичным образом на поверхность гребенчатой структуры 5 нанесена пленка 15, избирательно чувствительна к другой компоненте. Гребенчата структура 2, предст вл юща собой с соответствующими преобразовател ми 6 и 10 компенсирующий тракт, нар ду с гребенчатой структурой 3, покрытой газопоглощающей пленкой 14 и представл ющей собой вместе с преобразовател ми 7 и 11 измерительный тракт, образуют пару компенсирующий-измерительный тракты, предназначенную дл измерени концентрации одной из компонент газа. Аналогично пара компенсирующий-измерительный тракты на соответствующих гребенчатых структурах 4 и 5 используетс дл измерени концентрации другой компоненты газа. Путем включени каждого из11 The invention relates to non-destructive testing and can be used for gas analysis and control of the concentration of various gases according to the speed of propagation of ultrasonic waves. A known sensor for measuring the concentration of hydrogen comprising a substrate, input and output transducers of surface acoustic waves, and a film sensitive to hydrogen ij. The disadvantage of this sensor is its temperature instability due to the significant effect of temperature changes on the speed of propagation of surface acoustic waves (SAW). The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a sensor for changing the concentration of gases containing the substrate, emitters and surface acoustic wave receivers, forming measuring and compensating paths, and gas sensitive films, located between the radiators and receivers and measuring paths 2J. However, the known sensor has limited accuracy and sensitivity of measurements due to the insignificant length of the gas-sensitive film, the influence of measuring and compensating paths on each other, differences in the conditions of propagation of surface acoustic waves due to temperature and mechanical gradients in the substrate. The purpose of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of the sensor while at the same time reducing its dimensions. This goal is achieved in that the sensor for measuring the concentration of gases containing the substrate, emitters and receivers of the surface acoustic wave, forming measuring and compensating paths, and gas sensitive films, are located and receivers of measuring paths, the working surface of the substrate is made in the form of identical rectangular comb structures on which gas is placed sensitive films. Fig. 1 shows a variant of a sensor for measuring two components of gases with one sensor; Figure 2 3 is the same, with an elongated pathway for the distribution of the surfactant. The positions in Figure 1 show surfactant excitation schemes on the base; b conversion of bulk waves into surfactant by a groove system; c - excitation of the flexural mode of a rectangular comb structure with the aid of a piezoelectric transducer fixed on the side wall of the ridge; g - surfactant excitation by the edge converter; d - excitation using interdigital transducers (IDT) surfactants using a piezoelectric film for the substrate of a non-piezoelectric material. The positions in FIG. 2 shows the options for placement of the gas-sensitive film: b - only on the top surface of the comb structure; in - on the top and side surfaces of the comb structure; r-on the top and the entire lateral surface of the comb-like structure when applied with viscous and liquid films. A sensor for measuring the concentration of gases contains a substrate 1, on the surface of which, by its local deformation, comb structures 2-5 are made, rectangular in cross section, on each of which there are corresponding input 6-9 and output 10-13 converters DAB. a comb structure 3 between the input 7 and output 11 converters; the surfactant has a film 14 of a substance selectively sensitive to one of the measured component gases. Similarly, a film 15 is applied to the surface of the comb structure 5, selectively sensitive to another component. The combed structure 2, which, together with the corresponding converters 6 and 10, represents the compensating path, along with the comb structure 3, covered with the gas absorption film 14 and which together with the converters 7 and 11 form the measuring path, form a compensating-measuring path, designed to measure the concentration of one of the gas components. Similarly, a pair of compensating-measuring paths on the corresponding comb structures 4 and 5 are used to measure the concentration of the other gas component. By including each of

трактов в цепь обратной св зи соответствующих усилителей 16-19 образованы ПАВ-генераторы. Выходные сигналы генераторов каждой из пар измерительныйкомпенсирующий тракты подаютс на соответствутощие смесители 20 и 21, выходы которых подключены к фильтрам 22 и 23 нижних частот (ФНЧ).The paths to the feedback circuit of the corresponding amplifiers 16-19 are formed by SAW generators. The outputs of the generators of each of the pairs of measurement compensating paths are fed to the respective mixers 20 and 21, the outputs of which are connected to low-pass filters 22 and 23.

Датчик дл измерени концентрации газов работает следующим образом, A sensor for measuring the concentration of gases works as follows

Возбужденные входными преобразовател ми 6-9 ПАВ канализируютс соответствующими гребенчатыми структурами 2-5 и затем принимаютс соответствующими выходными преобразовател ми 10-13. При наличии в составе газа , подаваемого к поверхности подложки с вьтолненными на ней гребенчатыми структурами, компоненты, к которой селективно чувствительна газопоглощающа пленка, нанесенна на поверхность гребенчатой структуры одного из измерительных трактов, например пленка 14 на поверхности гpeбeнчatoй структуры 3, происходит адсорбци анализируемой компоненты на пленке 14 что приводит к изменению как плотности , так и упругих свойств пленки 14. Эти изменени , в свою очередь, привод т к изменению скорости канализируемых гребенчатых структур 3 измерительного тракта ПАВ. Изменение скорости канализируемых гребенчатой структурой ПАВ контролируетс либо как изменение фазового сдвига ПАВ на выходе соответствующего траклибо как изменение частотыThe excited input converters 6-9 of the SAW are channelized by the corresponding comb structures 2-5 and then received by the corresponding output converters 10-13. If the gas supplied to the surface of the substrate with comb-shaped structures on it, the components to which the selectively sensitive getter film is deposited on the surface of the comb-like structure of one of the measuring paths, for example film 14 on the surface of the grains of the structure 3, the analyzed component adsorbs on film 14, which leads to a change in both the density and the elastic properties of the film 14. These changes, in turn, lead to a change in the velocity of the channeled comb 3 truktur measuring surfactants tract. The change in the rate of the canalized comb structure of the surfactant is controlled either as a change in the phase shift of the surfactant at the output of the corresponding vehicle as a change in frequency

та,that

при условии, что соответствующа гребенчата структура включена в качестве частотозадающего элемента обратной св зи в контур ПАВ-генератора .provided that the corresponding combed structure is included as a frequency-generating feedback element in the SAW generator circuit.

Использование датчика в частном включении вл етс предпочтительным вследствие высокой чувствительности, простоты и совместимости с цифровыми системами обработки. В этом случае в течение времени адсорбции изменение скорости канализируемых гребнем ПАВ приводит к изменению частоты ПАВ-генератора с начальной частоты до некоторой установившейс величины. Разность частоты между ПАВ-генераторами на компенсирующем 2 и измерительном 3 гребн х контролируетс путем смешивани их вьщодных сигналов в смесителе 20 и выделени разностной частоты с помощью ФНЧ 22.The use of the sensor in a private connection is preferred due to its high sensitivity, simplicity and compatibility with digital processing systems. In this case, during the adsorption time, a change in the velocity of the surfactant canalized by the crest leads to a change in the frequency of the surfactant generator from the initial frequency to a certain steady-state value. The frequency difference between the SAW generators on the compensating 2 and measuring 3 ridges is controlled by mixing their output signals in the mixer 20 and extracting the difference frequency using the low-pass filter 22.

Измерение концентрации другой компоненты газовой смеси производитс аналогично с помощью размещенной на подло жке 1 другой пары измерительныйкомпенсирующий тракты на гребенчатых структурах 4-5, в которой поверхность гребенчатой структуры 5 покрыта пленкой, избирательно чувствительной к другой анализируемой компоненте газа.The concentration of another component of the gas mixture is measured similarly with the help of another pair of measuring compensating paths on comb structures 4-5 placed on the substrate, in which the surface of the comb structure 5 is covered with a film selectively sensitive to the other component of the gas being analyzed.

Таким образом, применение датчика дл измерени концентрации газов позвол ет значительно повысить чувствительность и точность измерений при небольших его габарита, что св зано с исключением эффектов уширени пучка ПАВ и перекрыти ПАВ в измерительных и компенсирующих трактах, устранением температурных и механических градиентов за счет выполнени одной стороны подложки в виде идентичньпс пр моугольных гребенчатых структур. / 10 3 11 t 13Thus, the use of a sensor for measuring the concentration of gases significantly improves the sensitivity and accuracy of measurements with small dimensions, which is associated with the elimination of the effects of the SAW beam broadening and surfactant overlap in the measuring and compensating paths, eliminating temperature and mechanical gradients by performing one side substrates in the form of identical rectangular comb structures. / 10 3 11 t 13

ОABOUT

LiZ.iLiz.i

Claims

SENSOR FOR MEASURING GAS CONCENTRATION, containing a substrate, emitters and receivers of a surface acoustic wave, forming measuring and compensating paths, and gas-sensitive films located between emitters and receivers of measuring paths, characterized in that, in order to increase the sensitivity and accuracy of the sensor while reducing it. of its dimensions, the working surface of the substrate is made in the form of identical rectangular comb structures, on which are placed Q-sensitive _Q films. $ (L s

a

1 1105803