Реферати українською » Наука и техника » Розробка сенсора на поверхностно-акустических хвилях


Реферат Розробка сенсора на поверхностно-акустических хвилях

Страница 1 из 2 | Следующая страница

року міністерство освіти Російської Федерації

Нижегородський державний технічний університет

Дзержинський філія

Кафедра

Автоматизація технологічних процесів і виробництв

Магістерська дисертація

на тему:

Розробка сенсора на поверхностно-акустических хвилях. Автоматизація вимірювальної установки.

Выполнил:

магистрант грн. 95-АТПМ-1

Єрмаков Є. З.

Зав. кафедрою АТПП:

д.т.н., професор

Сажин С.Г.

Науковий керівник:

д.т.н., професор

Сажин С.Г.

р. Дзержинськ

2001 р.


Зміст

Зміст 2

Запровадження 3

Літературний огляд 5

Основні засади конструювання ПАР сенсорів 5

Деякі завдання, можуть бути вирішені ПАР сенсорами 11

Конструкція експериментальної осередки 18

Опис приладів та матеріалів 21

Сопряжение частотомера з ЕОМ 35

Особливості завдання 35

Постановка завдання поєднання 41

Перетворення рівня 43

Перетворення коду 44

Параллельные порти ввода/вывода. 53

Прерывания 56

Послідовний порт ввода/вывода 57

Розробка програмного забезпечення устрою поєднання 64

Математичного моделювання 70

Експериментальні результати 78

Економічна частина 83

Техніка безпеки 84

Висновки 85

Список використаних джерел 86

Запровадження

У разі сучасності проблема контролю над становищем навколишнього середовища входить у дедалі більше чільне місце. Контроль цей здійснюється виключно як стаціонарними приладами, і портативними. До стаціонарним приладам можна віднести інфрачервоні спектрометри, газові хроматографы, масові спектрометри та інших. Робота портативних приладів полягає в використанні твердотільних перетворювачів. Такі перетворювачі дозволяють здійснювати мініатюризацію приладів, знижувати споживану ними потужність, і навіть дають можливості робити з допомогою технології мікроелектроніки, ну, а це - якість, надійність і можливість створення многоточечных систем контролю. Розробка що така приладів є актуальною проблемою мікроелектроніки і автоматики. [1].

Хімічний твердотельный сенсор є микроэлектронное пристрій, яке перетворює зміна хімічних властивостей середовища чи складу середовища в електричний сигнал [2]. Однією з найперспективніших напрямів з розробки хімічних сенсорів є створення пристроїв на поверхностно-акустических хвилях (ПАР). ПАР устрою приваблюють застосування як хімічних микросенсоров через свою чутливості, малого розміру та дешевизни виготовлення основі технології мікроелектроніки. Також перевагою ПАР сенсорів є висока чутливість швидкості поширення поверхностно-акустической хвилі до змін властивостей поверхового матеріалу. Це тим, що чутливість таких сенсорів зростає пропорційно квадрату робочої частоти приладу, а охоплюваний діапазон робочих частот змінюється від десятків мегагерц за кілька гигагерц.

Слід зазначити, що сферу застосування ПАР сенсорів досить широка й розмаїта. Ці прилади також вважали застосування як датчики температури і тиску, крім того, дають можливість проводити дослідження властивостей різних полімерних плівок.


Літературний огляд

Основні засади конструювання ПАР сенсорів

У своїй основний формі хімічний микросенсор є по меншою мірою два елемента: мініатюрна підкладка і хімічно селективне покриття [10].

Подложка має контакти з покриттям і відданість забезпечує виникнення електричного сигналу, чиї характеристики відбивають стан покриття.

Покриття має контакт з середовищем, що містить сама хімічна речовина, що має бути виявлено. Відмінність властивості покриття, з яких відбуваються ті чи інші хімічні взаємодії, забезпечують перенесення речовини чи енергії через підкладку [10].

Виникнення акустичної хвилі досягається використанням ПАР покриття, лінії затримки і коливального контуру.

При адсорбції чутливим покриттям визначених речовин відбувається зміна характеристик поверхностно-акустической хвилі, як-от фазовая швидкість, амплітуда і частота. Відбувається це через зміну пружних властивостей чутливого шару та її електропровідності [1]. За цією змін можна будувати висновки про концентрації домішки серед.


ПАР микросенсор є тонку платівку з відполірованого п'єзоелектричного матеріалу (наприклад, кварцу, ниобата літію, танталата літію), яку завдані дві системи встречно-штырьевых перетворювачів (ВШП), одній із яких працює у ролі передавального перетворювача, а друга є які вживають перетворювачем [2]. Краї обох кінцях платівки спотворюються чи навантажуються абсорбционной гумою подолання відображення у бік поширення первинної хвилі. Коли жодну з систем ВШП подається високочастотне напруга, то, на поверхні платівки з допомогою зворотного пьезоэффекта генерується поверхностно-акустическая хвиля. Ця хвиля потім поширюється вздовж поверхні платівки до того часу, доки потрапить в іншу систему ВШП, де перетвориться знову на високочастотне напруга. Час затримки між вхідним і вихідним електричними сигналами визначається за такою формулою:

,

де l - середнє відстань між системами ВШП,

v - швидкість поширення поверхностно-акустической хвилі.

Максимальне акустоэлектрическое взаємодія систем ВШП має місце при характеристичною частоті , обумовленою наступним співвідношенням:

,

де h - крок ВШП [З].

Поєднання двох ВШП через високочастотний підсилювач (рис. 1) дає можливість даному влаштуванню підтримувати коливальний процес на резонансної частоті за умови виконання таких вимог:

набіг фаз в кільці получающегося в такий спосіб коливального контуру становить , де n - ціла кількість;

втрати у лінії затримки компенсуються підсилювачем [2].

Область поширення ПАР між системами ВШП використовують у сенсорних пристроях як чутливої області. Будь-яка зміна фізичних параметрів середовища (температури, тиску) впливає на робочу частоту ПАР приладу. Це використовують у даному типі датчиків як сенсорного ефекту. Що стосується застосуванні ПАР приладів у ролі хімічних газових сенсорів галузь поширення поверхностно-акустической хвилі наноситься чутлива покриття, що має властивістю селективно взаємодіяти з визначальним речовиною. Нанесення покриття відбивається у значному ослабленні поверхневою хвилі і відповідному зменшенні резонансної частоти приладу. Було показано [2] зміна резонансної частоти, обумовлене наявністю покриття лежить на поверхні поширення поверхностно-акустической хвилі, описується наступним співвідношенням:

,

де - зрушення резонансної частоти з допомогою зміни чутливим покриттям швидкості поверхностно-акустической хвилі,

 і характеристики п'єзоелектричного матеріалу,

 - початкова резонансна частота,

h - товщина чутливого покриття,

 - його щільність.

Неважко помітити, що твір - є масу покриття на одиницю виміру площі. Отже, зміна частоти поверхностно-акустической хвилі залежить насамперед від двох чинників - маси одиниці площі плівки і механічних властивостей пьезоэлектрической підкладки. Застосування занадто товстих плівок відбивається у надмірному ослабленні швидкості поверхностно-акустической хвилі і наступному затуханні коливань. Встановлено, що прийнятною є товщина плівки, складова »1% від довжини хвилі. І тут здатність покриття адсорбировать зумовлені речовини досить великий, щоб забезпечити хорошу чутливість. З іншого боку така товщина покриття не призводить до загасанню коливань.

Через війну адсорбції газів чутливим покриттям змінюються властивості середовища поширення поверхностно-акустической хвилі, отже, і його характеристики.

У випадку, визначення концентрації газів можна вимірювати зміна амплітуди, швидкості чи частоти поверхностно-акустической хвилі. Найпростішим, надійним, а найголовніше точним методом є вимірювання зсуву частоти. Тобто ролі сенсорного ефекту у цьому типі датчиків використовується відмінність робочих частот поверхностно-акустической хвилі приладу у різних середовищах.


Деякі завдання, можуть бути вирішені ПАР сенсорами

Діяльність [6] авторами вирішена завдання класифікації пахощів й універсального визначення ступеня свіжості продуктів харчування за запахом з допомогою аналітичної мікросхеми, яка працює принципі виміру швидкості поверхностно-акустической хвилі. Описывается мікросистема на дослідження запахів і пахощів, джерело якої в використанні набору п'єзоелектричних резонаторів з покриттями, селективно сорбирующими пари визначених з'єднання з атмосфери. Отриманий прилад складається з восьми резонаторів, нерішучих з різною частотою інтервалі від 380 до 433 МГц і має різні чутливі покриття.

Також було досліджувана [7] вплив лінійних і розгалужених вуглеводнів на ПАР сенсори з відчутними покриттями з урахуванням плівок фторированных полиамидов. У процесі дослідження виявили, такі ПАР сенсори можна використовувати щоб виявити лінійних і розгалужених вуглеводнів, оскільки лінійні вуглеводні, проникаючи в плівку, дають зміна маси плівки на два порядку більше, ніж відповідні їм розгалужені ізомери, що зумовлює зміни частоти.

Діяльність [8] знайдено спосіб мислення і приведено конструкція устрою щоб виявити запашних речовин, у повітрі. Пристрій являє собою систему, що складається з набору напівпровідникових і ПАР сенсорів. У статті дано результати порівняння двох сортів каву й два види духів. Також було проведено аналіз складових запахів оливкової олії, столового вина, наркотиків (морфін, кокаїн та інших.), різних вибухових речовин, харчових коркових пробок, тіла чоловіки й запаху тварин.

Діяльність [13] розглядалися поверхностно-акустические устрою, вкритого тонким шаром хемоселективного матеріалу. Такі устрою є високочутливими хімічними сенсорами щоб виявити і моніторингу парів і газів. Також у цій роботі дано оцінку ПАР пристроїв з різними матеріалами, использующимися як покриття і пристроїв, покритих у різний спосіб. У процесах добре описані у роботі досліджень застосовувався новий спосіб лазерного вибивання з допомогою матриці і пульсуючого лазера. На чутливу область ПАР сенсора окрім іншого завдавався пасcивирующий шар вуглецю. Діяльність визначено й представлені електричні характеристики й різні параметри пристроїв щоб виявити різних газів.

Діяльність [11] представлений сенсор щоб виявити за місцем й вимірювання низьких концентрацій газоподібної ртуті. Принцип дії сенсора грунтується на використанні генератора коливань ПАР і подвійний лінії зволікання з золотим покриттям. Газообразная ртуть вибірково реагує з золотою плівкою, створюючи амальгаму. Через війну збільшується маса плівки, що викликає зменшення частоти коливань. Вимірювання концентрації газу виробляється відмінностями відгуку сенсора при кімнатної певній температурі й температурі, коли він досягається динамічну рівновагу реакція амальгамирования і десорбции. Значення величини рівноваги досить залежить від концентрації газу. Отже, частота генератора коливань в лінії затримки може бути чутливої мірою концентрації газоподібної ртуті.

Діяльність також представлений графік залежності відгуку сенсора від концентрації газоподібної ртуті буде в діапазоні 10-9. Також проаналізовані такі особливості відгуку сенсора ніж формою відгуку, величина відгуку, час відгуку і лінійність при 25 градусів і 200 градусів.

Діяльність [15] розглянутий ПАР сенсор як гравіметричного сенсора. У роботі вивчалася адсорбція і нього десорбція хлорбензолу, о-дихлорбензола і хлороформу в поли[n-бутилметакрилате] (ПБМА) з допомогою ПАР сенсора і з допомогою методів гравіметричного аналізу (ДМА) з допомогою полімерних плівок. Процеси сорбції аналізувалися з допомогою моделі Фикиана і було отримані коефіцієнти найкращого розділення бізнесу і дифузії. Експериментальні дані добре відповідали моделі. Коефіцієнти поділу, отримані з відгуку ПАР, не від товщини покриття і було у два – 3 разу вищу, ніж коефіцієнти поділу, отримані з відгуку гравіметричного сенсора. На противагу цьому, коефіцієнти дифузії збільшувалися лінійно залежно від товщини покриття буде в діапазоні частот 70-560 кГц. При мінімальної товщині покриття ПАР коефіцієнти можна було порівняти з відносними ДМА коефіцієнтами. Дане дослідження ще раз підтверджує правоту те, що відгук ПАР хімічних сенсорів вище, ніж очікуваний тільки від зміни маси. Вязко-эластичный ефект зустрічалися з більш яскраво виражений, ніж гравиметрический. Понад те, подобу диффузионных коефіцієнтів, отриманих за більш товстому шарі полімеру, свідчить, що швидкості зміни вязко-эластичных компонентів ПАР і гравіметричного елемента подібні. Авторами роботи дійшли висновку, що обидві явища мають у своєму основі і той ж процес: адсорбцію аналізованого речовини в полімер. І з цим погляду, на думку авторів роботи, покритий полімером ПАР сенсор можна вважати приватним випадком гравіметричного сенсора.

Діяльність [14] представлений сенсор на ПАР з подвійним лінією зволікання з напыленной плівкою WO3:Ru як чутливого елемента. Через війну окислення оксиду азоту (NO) напівпровідникової плівки оксиду металу зменшується концентрація носіїв в плівці і, отже, її провідність. Це - зменшення провідності плівки причина збільшення швидкості ПАР. Отже, в приладі, що є коливальний контур з подвійним лінією затримки, частота чутливого каналу є мірою чутливості концентрації NO. Діяльність також відгуки даного сенсора на концентрації NO (10-9 – 10-6) повітря, тобто газів вищих концентрацій. Також у роботі проаналізовані залежності відгуку сенсора від часу відгуку, часу відновлення, рівня концентрації, рівня насичення і лінійність відгуку. З іншого боку, наводяться малюнки й можливості поліпшення показників сенсора у майбутньому.

Діяльність [13] представлений ПАР сенсор для виміру відносної вологості і концентрації вуглекислого газу при кімнатної температурі. Він є дві 97 МГц лінії затримки ПАР, покриті тонкими полімерними плівками. Одна лінія затримки служить для виміру концентрації, друга – для виміру відносної вологості. Діяльність також криві залежності відгуку сенсора від визначених параметрів.

Діяльність [20] використовувався датчик, у якому 2 незалежні ідентичні лінії зволікання з досліджуваними покриттями. Кожна лінія затримки з'єднана з частотомером і крізь спеціальну плату інтерфейсу з персональної ЕОМ «Нейрон». Математичне забезпечення дозволяло як реального часу зчитувати показання частотомеров 1 разів у секунду й накопичувати результати до буфері ЕОМ для наступної обробки.

Як очевидно з робіт зарубіжних і вітчизняних розробників ПАР сенсорів, під час проведення досліджень необхідна обробка великих обсягів даних. Тому не виникає необхідність підвищити рівень автоматизації експериментальної установки. Навіщо вважається доцільним поєднання вимірювальних приладів, необхідні експерименту з ЕОМ. Це завдання успішно вирішується зарубіжними розробниками, тоді як серед наукових розробок вітчизняних вчених, така задачу вирішена лише у роботі [20]. У роботі використовувалася досить малопотужна ЕОМ «Нейрон», яка за сучасних вимоги до швидкості і якістю обробки інформації справитися не може із своїм завданням. Для успішного проводити дослідження необхідно підвищити рівень автоматизації установки, шляхом поєднання її з ЕОМ вищого рівня.

Мета роботи – розробити схему, програму, обслуговуючу интерфейсное пристрій поєднання і "зробити підключення вимірювальної установки до ЕОМ.


Конструкція експериментальної осередки

Як чутливих елементів на поверхностно-акустических хвилях використовувалися лінії затримки ПАР, виконані на АТ-срезе монокристалічного кварцу в такий спосіб, що частота генерованою поверхностно-акустической хвилі становила 170 МГц. На виконання поставлених у цій роботі завдань було виготовлено експериментальна осередок наступній конструкції. На підставу, що було пластину 100*100*10 мм із нержавіючої сталі, встановлювався високочастотний підсилювач. Усилитель було вміщено у металевий корпус 25х25х10 мм його параметри були спеціально підібрані для які у ході досліджень ПАР перетворювачів. У верхньої межі корпусу підсилювача були контактні отвори, у яких вставлялися ніжки стандартного ПАР власника. Як кришки ПАР перетворювача, щоб уникнути впливу зовнішніх впливів на частоту ПАР,

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація