Датчик для изменения концентрации газов

(19) (11) З(5 С 01 М 29/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯн двтотсномт сиидвттльствт ЩВ 1 Й 1(т= ммнт(71) Институт электроники АН БССР(56) 1. Ашдсо А,0., Ра 1 ша А.,Чегопа Е. Ра 11 а(Ы 1 цш-вцгЕасе асоцв(,1 счаче 1 пгегасгдоп Гог Ьуйго 8 еп дегесг 1 оп. - "Арр 1. РЬув. Ьейй", 4 1(3),1 Ацфцвг, 1982, р. 300, Р 18 1,2. Вгуапг А., Ьее О.Ь., Чеге 1 г"по З.Р, А вцгйасе асоцвй 1 с дачеЕав дегесйог, - "01 ггавоп 1 св Яушровиющ Ргосеес 11 п 8 в", 1981, р. 172,Г 18. 1 (прототип).(54)(57) ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТ.РАЦИИ ГАЗОВ, содержащий подложку, излучатели и приемники поверхностнойакустической волны, образующие измерительные и компенсирующие тракты,и газочувствительные пленки, расположенные между излучателями и приемниками измерительных трактов, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения чувствительности и точностидатчика при одновременном сниженииего габаритов, рабочая поверхностьподложки выполнена в виде идентичныхпрямоугольных гребенчатых структур,на которых размещены газочувствительные пленки.110581Изобретение относится к нераэрушающему контролю и может быть использовано для газового анализа и контроля концентрации различных газов по скорости распространения ультразвуковых волн.Известен датчик для измерения концентрации водорода, содержащий подложку, входной и выходной преобразователи поверхностных акустических 10 волн и плецку, чувствительную к водороду 111,Недостатком данного датчика является его температурная нестабильность вследствие значительного влияния изме 15 нений температуры на скорость распространения поверхностных акустических волн (ПАВ).Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является датчик для изменения концентрации газов, содержащий подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, образующие измерительные и компенсиру ющие тракты, и газочувствительные пленки, расположенные между излучателями и приемниками измерительных трактов 12 .Однако известный датчик имеет ограниченные точность и чувствительность измерений иэ-эа незначительной длины газочувствительной пленки, зуияния друг на друга .измерительного и компенсирующего трактов, различия усло 35 вий распространения поверхностных акустических волн вследствие температурных и механических градиентов в подложке.Цель изобретения - повьппение чув 40 ствительности и точности датчика при одновременном снижении его габаритов.1Указанная цель достигается тем, что в датчике для измерения концентрации газов, содержащем подложку,45 излучатели и приемники поверхностной акустической волны, образующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительцые пленки, расположенные между излучателями и приемни хами измерительных трактов, рабочая поверхность подложки выполнена в виде идентичных прямоугольных гребенча" тых структур, на которых размещены газочувствительные пленки. 55На фиг. 1 представлен вариант датчика для измерения двух компонентов газов одним датчиком; на фиг.2 Озто же, с удлиненным трактом распространения ПАВ,Позициями на фиг. 1 приведены схемы возбуждения ПЛВ на основе: б преобразования объемных волн в ПАВ системой пазов; в - возбуждения иэгибной моды прямоугольной гребенчатой структуры с помощью пьезопреобразователя, закрепленного на боковой стенке гребня; г - возбуждения ПАВ краевым преобразователем; д - возбуждения с помощью встречно-штыревых преобразователей (ВШП) ПАВ с использованием для подложки из непьеэоэлектрического материала пьезоэлектрической пленки.Позициями на фиг. 2 обозначены варианты размещений газочувствительной пленки: б - только на верхнюю поверхность гребенчатой структуры;в " на верхнюю и боковые поверхности гребенчатой структуры; г - на верхнюю и всю боковую поверхности гребенчатой структуры при нанесении вязких и жидких пленок.Датчик,для измерения концентрации газов содержит подложку 1, на поверхности которой путем ее локаль" ной деформации выполнены гребенчатые структуры 2-5, прямоугольные в поперечном сечении, на каждой из которых размещены соответствующие входные 6-9 и выходные 10-13 преобразователи ПАВ. На поверхность гребенчатой структуры 3 между входным 7 и выходным 11 преобразователями,ПАВ нанесена пленка 14 вещества, избирательно чувствительного к одной из измеряемых компонент газов, Аналогичным образом на поверхность гребенчатой структуры 5 нанесена пленка 15, избирательно чувствительная к другой компоненте.Гребенчатая структура 2, представляющая собой с соответствующими преобразователями 6 и 10 компенсирующий тракт, наряду с гребенчатой структурой 3, покрытой газопоглощающей плен" кой 14 и представляющей собой вместе с преобразователями 7 и 11 измерительный тракт, образуют пару компенсирующий-измерительный тракты, предназначенную для измерения концентрации одной из компонент газа. Аналогично пара компенсирующий-измерительный тракты на соответствующих гребенчатых структурах 4 и 5 используется для измерения концентрации другой компоненты газа, Путем включения каждого из1105803трактов в цепь обратной связи соответствующих усилителей 16-19 образованы ПАВ-генераторы. Выходные сигналы генераторов каждой из пар измерительный- компенсирующий тракты подаются на со- Б ответствующие смесители 20 и 21, выходы которых подключены к фильтрам22 и 23 нижних частот (ФНЧ).Датчик для измерения концентрации газов работает следующим образом. 10Возбужденные входными преобразователями 6-9 ПАВ канализируются соответствующими гребенчатыми структурами 2-5 и затем принимаются соответствующими выходными преобразователя ми 10-13. При наличии в составе газа, подаваемого к поверхности подложки с выполненными на ней гребенчатыми структурами, компоненты, к которой селективно чувствительна газопогло О щающая пленка, нанесенная на поверхность гребенчатой структуры одного из измерительных трактов, например пленка 14 на поверхности гребенчатой структуры 3, происходит адсорбция 25 анализируемой компоненты на пленке 14, что приводит к изменению как плотности, так и упругих свойств пленки 14.Эти изменения, в свою очередь, приводят к изменению скорости канализиру- ЗО емых гребенчатых структур 3 измерительного тракта ПАВ. Изменение скорости канализируемых гребенчатой структурой ПАВ контролируется либо как изменение фазового сдвига ПАВ на выходе соответствующего тракта, либо как изменение частоты при условии, что соответствующая гребенчатая структура включена в качестве частотозадающего элемента обратной связи в контур ПАВ-генератора,Использование датчика в частномвключении является предпочтительнымвследствие высокой чувствительности,простоты и совместимости с цифровымисистемами обработки, В этом случаев течение времени адсорбции изменениескорости каналиэируемых гребнем ПАВприводит к изменению частоты ПАВ-генератора с начальной частоты до некоторой установившейся величины. Разность частоты между ПАВ-генераторамина компенсирующем 2 и измерительном 3гребнях контролируется путем смешивания их вьподных сигналов в смесителе 20 и выделения разностной частотыс помощью ФНЧ 22.Измерение концентрации другой компоненты газовой смеси производитсяаналогично с помощью размещенной наподложке 1 другой пары измерительныйкомпенсирующий тракты на гребенчатыхструктурах 4-5, в которой поверхность гребенчатой структуры 5 покрыта пленкой, избирательно чувствительной к другой анализируемой компоненте газа.Таким образом, применение датчикадля измерения концентрации газов позволяет значительно повысить чувствительность и точность измерений принебольших его габаритай, что связанос исключением эффектов ущирения пучка ПАВ и перекрытия ПАВ в измерительных и компенсирующих трактах, устранением температурных и механическихградиентов за счет выполнения однойстороны подложки в виде идентичныхпрямоугольных гребенчатых структур.1105803 2) Составитель Г. Федороч Техред М.Гергель Редактор Ю,орректор 0 гова 5593/34 Тираж 823 ВНИИПИ Государственногпо делам изобретений 113035, Москва, Ж, Ра Зака ПодписР комитета С и открытийУшская наб д. 4/ Проектная, 4 иал ППП "Патент", г. Ужгоро