Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки

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

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

Введение

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.

Литературный обзор 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 , 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:

,

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

 и  характеристики пьезоэлектрического материала,

 - начальная резонансная частота,

h - толщина чувствительного покрытия,

 - его плотность.

Не трудно заметить, что произведение  - 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 лазера. На чувствительную область ПАВ сенсора кроме всего прочего наносился пасcивирующий слой углерода. В работе определены и представлены электрические характеристики и различные параметры устройств для обнаружения различных газов.

В работе [11] представлен сенсор для обнаружения по месту и измерения низких концентраций газообразной ртути. Принцип действия сенсора основан на использовании генератора колебаний ПАВ и двойной линии задержки с золотым покрытием. Газообразная ртуть избирательно реагирует с золотой пленкой, образуя амальгаму. В результате увеличивается масса пленки, которая вызывает уменьшение частоты колебаний. Измерение концентрации газа производится различием отклика сенсора при комнатной температуре и температуре, при которой достигается динамическое равновесие реакция амальгамирования и десорбции. Значение величины равновесия достаточно сильно зависит от концентрации газа. Таким образом, частота генератора колебаний в линии задержки может служить чувствительной мерой концентрации газообразной ртути.

В работе также представлен график зависимости отклика сенсора от концентрации газообразной ртути в диапазоне 10^-9. Также проанализированы такие особенности отклика сенсора как форма отклика, величина отклика, время отклика и линейность при 25 ⁰С и 200 ⁰С.

В работе [15] рассмотрен ПАВ сенсор в качестве гравиметрического сенсора. В этой работе изучалась адсорбция и десорбция хлорбензола, о-дихлорбензола и хлороформа в поли[n-бутилметакрилате] (ПБМА) при помощи ПАВ сенсора и с помощью методов гравиметрического анализа (ГМА) с использованием полимерных пленок. Процессы сорбции анализировались с помощью модели Фикиана и были получены коэффициенты наилучшего разделения и диффузии. Экспериментальные данные хорошо соответствовали модели. Коэффициенты разделения, полученные из отклика ПАВ, не зависели от толщины покрытия и были в 2 – 3 раза выше, чем коэффициенты разделения, полученные из отклика гравиметрического сенсора. В противоположность этому, коэффициенты диффузии увеличивались линейно в зависимости от толщины покрытия в диапазоне частот 70-560 кГц. При минимальной толщине покрытия ПАВ коэффициенты были сравнимы с относительными ГМА коэффициентами. Данное исследование еще раз подтверждает правоту того, что отклик ПАВ химических сенсоров выше, чем ожидаемый только от изменения массы. Вязко-эластичный эффект также более ярко выражен, чем гравиметрический. Более того, подобие диффузионных коэффициентов, полученных при более толстом слое полимера, говорит о том, что скорости изменения вязко-эластичных компонентов ПАВ и гравиметрического элемента подобны. Авторами работы был сделан вывод, что оба явления имеют в своей основе один и тот же процесс: адсорбцию анализируемого вещества в полимер. И с этой точки зрения, по мнению авторов работы, покрытый полимером ПАВ сенсор может считаться частным случаем гравиметрического сенсора.

В работе [14] представлен сенсор на ПАВ с двойной линией задержки с напыленной пленкой WO₃:Ru в качестве чувствительного элемента. В результате окисления оксида азота (NO) полупроводниковой пленки оксида металла уменьшается концентрация носителей в пленке и, следовательно, ее проводимость. Это уменьшение проводимости пленки является причиной увеличения скорости ПАВ. Таким образом, в приборе, который представляет собой колебательный контур с двойной линией задержки, частота чувствительного канала является мерой чувствительности концентрации NO. В работе также представлены отклики данного сенсора на концентрации NO (10^-9 – 10^-6) в воздухе, то есть среди газов более высоких концентраций. Также в работе проанализированы зависимости отклика сенсора от времени отклика, времени восстановления, минимального уровня концентрации, уровня насыщения и линейность отклика. Кроме того, приводятся рисунки и возможности улучшения показателей сенсора в будущем.

В работе [13] представлен ПАВ сенсор для измерения относительной влажности и концентрации углекислого газа при комнатной температуре. Он представляет собой две 97 МГц линии задержки ПАВ, покрытые тонкими полимерными пленками. Одна линия задержки служит для измерения концентрации, вторая – для измерения относительной влажности. В работе также представлены кривые зависимости отклика сенсора от определяемых параметров.

В работе [20] использовался датчик, содержащий 2 независимые идентичные линии задержки с исследуемыми покрытиями. Каждая линия задержки соединена с частотомером и через специальную плату интерфейса с персональной ЭВМ «Нейрон». Математическое обеспечение позволяло в режиме реального времени считывать показания частотомеров 1 раз в секунду и накапливать результаты измерений в буфере ЭВМ для последующей обработки.

Как видно из работ зарубежных и отечественных разработчиков ПАВ сенсоров, при проведении исследований необходима обработка больших объемов данных. Поэтому возникает необходимость повысить степень автоматизации экспериментальной установки. Для чего считается целесообразным сопряжение измерительных приборов, необходимых для проведения эксперимента с ЭВМ. Данная задача успешно решается зарубежными разработчиками, в то время как среди научных разработок отечественных ученых такая задача была решена только в работе [20]. В этой работе использовалась достаточно маломощная ЭВМ «Нейрон», которая при современных требованиях к быстроте и качеству обработки информации не может справиться со своей задачей. Для успешного проведения исследований необходимо повысить степень автоматизации установки, путем сопряжения ее с ЭВМ более высокого уровня.

Цель работы – разработать схему, программу, обслуживающую интерфейсное устройство сопряжения и произвести подключение измерительной установки к ЭВМ.

Конструкция экспериментальной ячейки

В качестве чувствительных элементов на поверхностно-акустических волнах использовались линии задержки ПАВ, выполненные на АТ-срезе монокристаллического кварца таким образом, что частота генерируемой поверхностно-акустической волны составляла 170 МГц. Для выполнения поставленных в данной работе задач была изготовлена экспериментальная ячейка следующей конструкции. На основание, представляющее собой пластину 100*100*10 мм из нержавеющей стали, устанавливался высокочастотный усилитель. Усилитель был помещен в металлический корпус 25х25х10 мм и его параметры были специально подобраны для использовавшихся в ходе исследований ПАВ преобразователей. В верхней грани корпуса усилителя имелись контактные отверстия, в которые вставлялись ножки стандартного ПАВ держателя. В качестве крышки ПАВ преобразователя, для исключения влияния внешних воздействий на частоту ПАВ, использовалась нержавеющая пластина 40х40х4 мм, в которой было вырезано отверстие необходимой геометрии и размеров. На верхнюю грань этой пластины напротив отверстия была приварена еще одна пластинка таким образом, что в первой пластине образовалась полость. В данную полость помещался ПАВ преобразователь. Для создания вакуумного уплотнения крышка прижималась к усилительной коробке при помощи болтов диаметром 5 мм через прокладку из силиконовой резины. В верхнюю часть пластины над ПАВ преобразователем были вварены два штуцера из нержавеющих трубок 3-х миллиметрового диаметра для введения в ячейку требуемых газовых потоков, а также откачки ее на вакуум. Для исключения попадания пыли и частиц грязи на поверхность распространения поверхностно-акустической волны, в штуцеры были введены специальные фильтры, используемые в качестве вкладышей во входных штуцерах газовых редукторов. При проведении экспериментов штуцеры ячейки соединялись с соответствующими выводами универсального газового стенда.

Описание приборов и материалов

Для измерения частоты ПАВ в работе использовался частотомер электронно-счетный Ч3-54, характеристики которого представлены ниже:

Рисунок 3 Внешний вид частотомера Ч3-54

Назначение:

1. Частотомер электронно-счетный 43-54 предназначен для:

-  измерения частоты синусоидальных и частоты следования импульсных сигналов;

-  измерения периода синусоидальных и периода следования импульсных сигналов;

-  измерения длительности импульсов и интервалов времени;

-  измерения отношения частот электрических сигналов;

-  суммирования электрических сигналов;

-  деления частоты электрических сигналов;

-  выдачи напряжений опорных частот;

-  работы со сменными блоками.

2. Прибор по условиям эксплуатации предназначен для работы в условиях:

-  температура окружающей среды от 243 до 323 К (от минус 30 до +50°С);

-  повышенная влажность до 98% при температуре до 308 К (+35°С).

3. Прибор питается от сети переменного тока напряже­нием (220 ± 22) В частотой (50±0,5) Гц; (220±11) В или (115±6) В частотой (400_-12⁺²⁵ ) Гц.