Министерство образования Российской Федерации

Нижегородский государственный технический университет

Дзержинский филиал

Факультет

Химико-механический

Кафедра

Автоматизация технологических процессов и производств

Магистерская диссертация

по теме:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки.

                                                                  Выполнил:

магистрант гр. 95-АТПМ-1

Ермаков Е. С.

Зав. кафедрой АТПП:

                                                       д.т.н., профессор

Сажин С.Г.

Научный руководитель:

                                                       д.т.н., профессор

Сажин С.Г.

г. Дзержинск

2001 г.

Содержание..................................................................................................................................................... 2

Введение............................................................................................................................................................ 3

Литературный обзор............................................................................................................................... 5

Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров................................................................ 5

Некоторые задачи, решаемые ПАВ сенсорами............................................................................ 11

Конструкция экспериментальной ячейки..................................................................... 18

Описание приборов и материалов.......................................................................................... 21

Сопряжение частотомера с ЭВМ................................................................................................ 35

Особенности задачи.................................................................................................................................. 35

Постановка задачи сопряжения......................................................................................................... 41

Преобразование уровня............................................................................................................................ 43

Преобразование кода................................................................................................................................ 44

Параллельные порты ввода/вывода.................................................................................................... 53

Прерывания................................................................................................................................................. 56

Последовательный порт ввода/вывода............................................................................................. 57

Разработка программного обеспечения устройства сопряжения.......... 64

Математическое моделирование........................................................................................... 70

Экспериментальные результаты............................................................................................ 78

Экономическая часть......................................................................................................................... 83

Техника безопасности....................................................................................................................... 84

Выводы.............................................................................................................................................................. 85

Список использованных источников................................................................................ 86

В условиях современности проблема контроля за состоянием окружающей среды выходит на все более ведущее место. Контроль этот осуществляется как стационарными приборами, так и портативными. К стационарным приборам можно отнести инфракрасные спектрометры, газовые хроматографы, массовые спектрометры и некоторые другие. Работа портативных приборов основана на использовании твердотельных преобразователей. Такие преобразователи позволяют осуществлять миниатюризацию приборов, снижать потребляемую ими мощность, а также дают возможность производить их с помощью технологии микроэлектроники, ну а это - качество, надежность и возможность создания многоточечных систем контроля. Разработка такого рода приборов является актуальной проблемой микроэлектроники и автоматики. [1].

Химический твердотельный сенсор представляет собой микроэлектронное устройство, которое преобразует изменение химических свойств среды или состава среды в электрический сигнал [2]. Одним из наиболее перспективных направлений в разработке химических сенсоров является создание устройств на поверхностно-акустических волнах (ПАВ). ПАВ устройства привлекательны для применения в качестве химических микросенсоров в силу своей чувствительности, малого размера и дешевизны изготовления на основе технологии микроэлектроники. Так же преимуществом ПАВ сенсоров является высокая чувствительность скорости распространения поверхностно-акустической волны к любым изменениям свойств поверхностного материала. Это объясняется тем, что чувствительность таких сенсоров растет пропорционально квадрату рабочей частоты прибора, а охватываемый диапазон рабочих частот изменяется от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.

Необходимо отметить, что область применения ПАВ сенсоров достаточно широка и разнообразна. Эти приборы также нашли свое применение в качестве датчиков температуры и давления, а, кроме того, дают возможность проводить исследование свойств различных полимерных пленок.

Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров

В своей основной форме химический микросенсор представляет собой по меньшей мере два элемента: миниатюрная подложка и химически селективное покрытие [10].

Подложка имеет контакт с покрытием и обеспечивает возникновение электрического сигнала, чьи характеристики отражают состояние покрытия.

Покрытие имеет контакт со средой, содержащей химическое вещество, которое должно быть обнаружено. Различия в свойствах покрытия, посредством которых происходят те или иные химические взаимодействия, обеспечивают перенос вещества или энергии через подложку [10].

Возникновение акустической волны достигается использованием ПАВ покрытия, линии задержки и колебательного контура.

При адсорбции чувствительным покрытием определяемых веществ происходит изменение характеристик поверхностно-акустической волны, таких как фазовая скорость, амплитуда и частота. Происходит это вследствие изменения упругих свойств чувствительного слоя и его электропроводности [1]. По этим изменениям можно судить о концентрации примеси в среде.

ПАВ микросенсор представляет собой тонкую пластинку из отполированного пьезоэлектрического материала (например, кварца, ниобата лития, танталата лития), на которую нанесены две системы встречно-штырьевых преобразователей (ВШП), одна из которых работает в качестве передающего преобразователя, а вторая является принимающим преобразователем [2]. Края на обоих концах пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления отражения в направлении распространения первичной волны. Если на одну из систем ВШП подается высокочастотное напряжение, то на поверхности пластинки за счет обратного пьезоэффекта генерируется поверхностно-акустическая волна. Эта волна затем распространяется вдоль поверхности пластинки до тех пор, пока не попадет на другую систему ВШП, где она преобразуется обратно в высокочастотное напряжение. Время задержки  между входным и выходным электрическими сигналами определяется по формуле:

,

где l - среднее расстояние между системами ВШП,

v - скорость распространения поверхностно-акустической волны.

Максимальное акустоэлектрическое взаимодействие систем ВШП имеет место при характеристической частоте , определяемой следующим соотношением:

,

где h - шаг ВШП [З].

Соединение двух ВШП через высокочастотный усилитель (рис. 1) дает возможность данному устройству поддерживать колебательный процесс на резонансной частоте при условии выполнения следующих требований:

набег фаз в кольце получающегося таким образом колебательного контура составляет $IMAGE6$, где n - целое число;

потери в линии задержки компенсируются усилителем [2].

Область распространения ПАВ между системами ВШП используется в сенсорных устройствах в качестве чувствительной области. Любое изменение физических параметров среды (температуры, давления) оказывает влияние на рабочую частоту ПАВ прибора. Это явление используется в данном типе датчиков в качестве сенсорного эффекта. В случае применении ПАВ приборов в качестве химических газовых сенсоров на область распространения поверхностно-акустической волны наносится чувствительное покрытие, обладающее свойством селективно взаимодействовать с определяемым веществом. Нанесение покрытия отражается в значительном ослаблении поверхностной волны и соответствующем уменьшении резонансной частоты прибора. Было показано [2] что изменение резонансной частоты, обусловленное наличием покрытия на поверхности распространения поверхностно-акустической волны, описывается следующим соотношением:

$IMAGE7$,

где $IMAGE8$ - сдвиг резонансной частоты за счет изменения чувствительным покрытием скорости поверхностно-акустической волны,

$IMAGE9$ и $IMAGE10$ характеристики пьезоэлектрического материала,

 - начальная резонансная частота,

h - толщина чувствительного покрытия,

$IMAGE12$ - его плотность.

Не трудно заметить, что произведение $IMAGE13$ - представляет собой массу покрытия на единицу площади. Таким образом, изменение частоты поверхностно-акустической волны зависит в первую очередь от двух факторов - массы единицы площади пленки и механических свойств пьезоэлектрической подложки. Применение слишком толстых пленок отражается в чрезмерном ослаблении скорости поверхностно-акустической волны и последующем затухании колебаний. Было установлено, что наиболее приемлемой является толщина пленки, составляющая »1% от длины волны. В этом случае способность покрытия адсорбировать определяемые вещества достаточно велика, чтобы обеспечить хорошую чувствительность. С другой стороны такая толщина покрытия не приводит к затуханию колебаний.

В результате адсорбции газов чувствительным покрытием изменяются свойства среды распространения поверхностно-акустической волны, а, следовательно, и ее характеристики.

В общем случае, для определения концентрации газов можно измерять изменение амплитуды, скорости или частоты поверхностно-акустической волны. Наиболее простым, надежным, а самое главное точным методом является измерение сдвига частоты. То есть в качестве сенсорного эффекта в данном типе датчиков используется различие рабочих частот поверхностно-акустической волны прибора в различных средах.

Некоторые задачи, решаемые ПАВ сенсорами

В работе [6] авторами решена задача классификации ароматов и определения степени свежести пищевых продуктов по запаху с использованием аналитической микросхемы, работающей на принципе измерения скорости поверхностно-акустической волны. Описывается микросистема для исследования запахов и ароматов, основанная на использовании набора пьезоэлектрических резонаторов с покрытиями, селективно сорбирующими пары определяемых соединений из атмосферы. Полученный прибор состоит из восьми резонаторов, колеблющихся с разной частотой в интервале от 380 до 433 МГц и имеющих разные чувствительные покрытия.

Также было исследовано [7] воздействие линейных и разветвленных углеводородов на ПАВ сенсоры с чувствительными покрытиями на основе пленок фторированных полиамидов. В ходе исследования было выявлено, что такие ПАВ сенсоры могут быть использованы для обнаружения линейных и разветвленных углеводородов, так как линейные углеводороды, проникая в пленку, дают изменение массы пленки на два порядка большее, чем соответствующие им разветвленные изомеры, что приводит к изменению частоты.

В работе [8] найден способ и приведена конструкция устройства для обнаружения душистых веществ в воздухе. Устройство представляет собой систему, которая состоит из набора полупроводниковых и ПАВ сенсоров. В статье даны результаты сравнения двух сортов кофе и двух видов духов. Также был проведен анализ составляющих запахов оливкового масла, столового вина, наркотиков (морфин, кокаин и др.), различных взрывчатых веществ, пищевых корковых пробок, тела человека и запаха животных.

В работе [13] рассматривались поверхностно-акустические устройства, покрытого тонким слоем хемоселективного материала. Такие устройства являются высокочувствительными химическими сенсорами для обнаружения и мониторинга паров и газов. Также в данной работе дана оценка ПАВ устройств с различными материалами, использующимися в качестве покрытия и устройств, покрытых различными способами. В процессах описанных в работе исследований применялся новый способ лазерного выбивания с использованием матрицы и пульсирующего