АДСОРБЦИОННЫЙ ДАТЧИК ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК G01N27/04 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к адсорбционным газочувствительным датчикам, и может быть использовано для разработки высокочувствительных газоанализаторов.

Известен газочувствительный датчик, содержащий подложку с нагревателем, электродами и чувствительным слоем [1]
Однако вышеуказанное устройство обладает недостатками, обусловленными наличием нагревателя, который предназначен для восстановления адсорбирующих свойств материала чувствительного слоя. При этом наличие термоциклических воздействий на элементы конструкции датчика приводит к:
а) деформациям, которые вызывают термическую усталость материалов и резко снижают надежность. Например, термическая усталость припоев проявляется в изменении их структуры, возникновении и прогрессирующем распространении микротрещин и, как следствие этого, в увеличении электрического сопротивления соединений вплоть до полного разрыва электрических цепей;
б) к возможным химическим реакциям между газами, парами воды и материалом, при этом нагрев резко активизирует протекание химических реакций. Все это может привести к ухудшению адсорбирующих свойств газочувствительных материалов и сокращению срока службы датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик для измерения физико-химических параметров газов, содержащий две линии задержки на поверхностных акустических волнах, каждая из которых состоит из первого (входного) и второго (выходного) встречно-штыревых преобразователей, расположенных на подложке, при этом между первым и вторым встречно-штыревым преобразователями одной из линий задержки на подложку нанесен чувствительный материал (пленка), селективный к определенному газу, два усилителя, каждый из которых включен между входом через фазовращатель и выходом своей пары встречно-штыревых преобразователей, выходы фазовращателей подключены к смесителю, который подсоединен к фильтру низких частот [2]
Недостатком такого датчика является то, что адсорбционная пленка после воздействия газа длительное время требует ресорбции, т.е. должна подвергаться десорбции. Это производится с помощью либо воздействия горячего воздуха, либо создания вакуума, что требует длительного времени, введения насоса и нагревателя.

Предлагаемое изобретение направлено на решение следующих задач:
улучшение качества десорбции адсорбирующей пленки;
уменьшение (сокращение) времени десорбции;
упрощение конструкции, уменьшение веса, габаритов;
очищение от постоянно воздействующих загрязнений.

Для достижения этих результатов предлагается адсорбционный датчик газа, содержащий подложку, на которой размещена измерительная линия задержки на поверхностных акустических волнах с нанесенным адсорбционным слоем между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, и эталонная линия задержки на поверхностно-акустических волнах, первый и второй усилители, входы каждого из которых соединены соответственно с выводами входных встречно-штыревых преобразователей измерительной и эталонной линий задержки, первый и второй фазовращатели, входы каждого из которых соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей, смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого фазовращателя и выводом выходного встречно-штыревого преобразователя измерительной линии задержки, а второй соединен с выходом второго фазовращателя и выводом выходного встречно-штыревого преобразователя эталонной линии задержки, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом смесителя, десорбер, выполненный в виде пьезокерамической пластины, с нанесенными электродами, прикрепленной к нижней стороне подложки, и ультразвукового генератора, вывод которого соединен с электродами пьезокерамической пластины.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет решать и такие задачи, как улучшение селекции, разрешающей способности, чувствительности за счет дополнительного введения поляризатора, включенного во внешнюю цепь между противоположными торцами подложки. При этом поляризатор содержит два электрода, подсоединенных к противоположным торцам подложки, пьезокерамический трансформатор, включенный между электродами, и источник питания для поляризатора.

Все это расширяет эксплуатационные возможности предлагаемого адсорбционного датчика газа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен предлагаемый адсорбционный датчик газа; на фиг.2 - разрез А-А.

Адсорбционный датчик газа состоит из: подложки 1, на которой размещены измерительная 2 и эталонная 3 линии задержки на поверхностно-акустических волнах, каждая из линий состоит из первого 4(6) и второго 5(7) встречно-штыревых преобразователей, при этом между преобразователями измерительной линии задержки 2 на подложку нанесен газочувствительный адсорбирующий слой 8 (пленка), выходы преобразователей 5, 7 измерительной 2 и эталонной 3 линий задержек подключены к усилителям соответственно 9, 10 и через соответствующие фазовращатели 11, 12 к смесителю 13 и ко входу преобразователя 4, 6 своей линии задержки 2,3, выход смесителя 13 подключен к активному фильтру 14 низких частот; десорбера в виде пьезокерамической пластины 15, механически присоединенной к нижней стороне подложки 1; ультразвукового генератора 16.

Кроме того, предлагаемый датчик может содержать поляризатор, содержащий два электрода 17, 18, подсоединенных к противоположным торцам подложки 1, пьезокерамический трансформатор 19, включенный между электродами 17, 18, и источник питания 20 для поляризатора.

Совокупность эталонной линии задержки 3 из встречно-штыревых преобразователей 6, 7 с усилителем 10, фазовращателем 12 представляет опорный ПАВ генератор 21, совокупность измерительной линии задержки 2 из встречно-штыревых преобразователей 4, 5 с нанесенным на подложку 1 газочувствительным слоем (пленкой) 8, с усилителем 9, фазовращателем 11 представляют ПАВ генератор 122 с адсорбирующей пленкой.

Устройство работает следующим образом.

Возбужденные входными преобразователями 4, 6 поверхностные акустические волны проходят по участку поверхности между преобразователями, затем принимаются соответствующими выходными преобразователями 5, 7. ПАВ структура включена в качестве частотозадающего элемента в цепь положительной обратной связи ПАВ генератора. Напряжение с выходных преобразователей 5, 7 поступает на входы усилителей 9, 10, усиливается ими, проходит через фазовращатели 11, 12 и вновь поступает на входные преобразователи 4, 6 ПАВ-структуры измерительной линии задержки.

При наличии в составе газа, поступающего к поверхности подложки, компоненты, к которой чувствительна селективная адсорбирующая пленка 8, нанесенная на поверхности пьезоэлектрической подложки, происходит адсорбция анализируемой компоненты на пленке 8, что приводит к изменению массовой нагрузки, плотности и упругости пленки.

Указанные выше изменения приводят к изменению скорости поверхностного акустических волн в пьезоэлектрической подложке 1, которое фиксируется как изменение частоты в случае, если ПАВ структура (линия задержки на ПАВ) включена в качестве частотно-задающего элемента ПАВ генератора.

Использование частотного метода измерения по сравнению с амплитудными методами обеспечивает более высокую чувствительность, удобство совместимости с цифровыми методами обработки результатов измерений.

В ПАВ генераторе 22 с адсорбирующей пленкой под влиянием соответствующей компоненты происходит изменение его частоты по отношению к начальной частоте на величину Δf в то время как частота опорного ПАВ - генератора 21 без пленки не изменяется. Образуется разность частот между ПАВ - генераторами 21, 22.

Напряжение с ПАВ-генераторов 21, 22 поступает на смеситель 13, а разностная частота Δf поступает на выход датчика через активный фильтр 14 низких частот.

Для обеспечения быстрой эффективной десорбции служит генератор 16 ультразвуковой частоты, напряжение с которого поступает на металлизированные торцы пьезокерамической пластины 15, в которой, благодаря пьезоэлектрическому эффекту, возникает механические колебания с амплитудой вибрации, достаточной для быстрой десорбции адсорбированного газа. Колебания пьезокерамической пластины 15 передаются на пьезоэлектрическую подложку 1, с которой механически связана пьезокерамическая пластина 15. Десорбция происходит за время не более чем несколько секунд, в то время как при обычных методах десорбции путем нагрева или воздействия вакуума время десорбции составляет от нескольких минут до нескольких часов.

Требуемая амплитуда вибраций зависит (выбирается) от толщины пленки и анализируемого газа и составляет от нескольких микрон до десятков микрон. Величина напряжения, подводимого к пьезокерамической пластине, может составлять от единиц до десятков вольт.

Предлагаемый датчик имеет значительно меньшие габариты и вес за счет отсутствия откачивающего насоса или источника питания для осуществления нагрева или питания насоса.

Воздействием ультразвуковых колебаний также быстро удаляют посторонние механические загрязняющие частицы на поверхности пьезоэлектрической подложки 1, которые не могут быть отфильтрованы фильтром, обычно стоящим для очистки газов.

Пьезокерамическая пластина может иметь конфигурацию, например, кольцевую, П-образную, Т-образную.

Предлагаемый датчик может иметь поляризатор, что позволит ему увеличить селективность за счет разного воздействия электрического поля на положительно и отрицательно заряженные или поляризованные молекулы газа. Так, при положительно заряженной пьезоэлектрической подложке отрицательно заряженные молекулы газа будут более активно адсорбировать на пленке, а положительно заряженные будут отталкиваться (удаляться) от одноименно заряженной подложки.

Для усиления эффекта сортировки (разделения молекул) в поляризатор входит, например, повышающий пьезотрансформатор, позволяющий подавать повышенное напряжение на пьезоэлектрическую подложку. Поляризатор создает напряжение от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт в зависимости от типа молекул и размера подложки.

Изобретение относится к технике анализа газовых смесей. Сущность изобретения: в адсорбционный датчик газа на поверхностных акустических волнах введен десорбер, выполненный в виде пьезокерамической пластины и который позволяет ускорить десорбцию газа с подложки за счет высокочастотных механических колебаний 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Адсорбционный датчик газа, содержащий пьезоэлектрическую подложку, над которой размещены измерительная линия задержки на поверхностных акустических волнах, на которой нанесен адсорбционный слой между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями и эталонная линия задержки на поверхностных акустических волнах, первый и второй усилители, входы которых соединены соответственно с выводами входных встречно-штыревых преобразователей измерительной и эталонной линий задержки на поверхностных акустических волнах, первый и второй фазовращатели, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей, смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого фазовращателя и выводом выходного встречно-штыревого преобразователя измерительной линии задержки на поверхностных акустических волнах, а второй соединен с выходом второго фазовращателя и выводом выходного встречно-штыревого преобразователя эталонной линии задержки на поверхностных акустических волнах, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом смесителя, десорбер, отличающийся тем, что десорбер выполнен в виде пьезокерамической пластины, на которую нанесены электроды, прикрепленной к нижней стороне подложки, и ультразвукового генератора, вывод которого соединен с электродами пьезокерамической пластины. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что введен дополнительный поляризатор, выполненный с возможностью подключения к противоположным торцам пьезоэлектрической подложки. 3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что поляризатор содержит два электрода подключения к противоположным торцам пьезоэлектрической подложки, пьезоэлектрический трансформатор, подключенный к выводам электродов, и источник питания для поляризатора.