ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕНСОР ПАРОВ РТУТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N5/02 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также для экологического контроля.

Известен пьзоэлектрический массочувствительный сенсор, выполненный в виде резонаторов на общей основе [1] Сенсор применяется для контроля массы (толщины) металлических покрытий на различных изделиях при вакуумном напылении покрытий и представляет собой кварцевую пластину с двумя парами металлических электродов, на одну из которых осаждается исследуемое вещество, а другая пара используется в качестве контрольной (эталонной), для чего она прикрывается экранирующей заслонкой.

Расстояние между парами электродов на кварцевой пластине выбирают исходя из требования независимости акустических колебаний обоих резонаторов друг от друга.

Использование массочувствительного сенсора в виде двух резонаторов - измерительного и эталонного, выполненных на одной кварцевой пластине, существенно снижает температурную погрешность сенсора. Это обусловлено тем, что два резонатора, расположенных на одной кварцевой пластине, имеют одинаковую зависимость собственных частот от температуры. Поэтому разность их частот практически не зависит от температуры, в то время как зависимость разности частот от массы, находящейся на электродах одного из резонаторов, полностью сохраняется.

Недостатком известного сенсора является существенное усложнение конструкции при использовании его для определения концентрации паров ртути: в отличие от случая контроля массы (толщины пленки) при вакуумном напылении, когда эталонный резонатор достаточно защитить заслонкой, экранирующей его от распыляемого металла, в случае определения концентрации паров ртути эталонный резонатор должен быть закрыт герметически и при этом иметь одинаковый с измерительным резонатором температурный режим.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является пьезоэлектрический сенсор паров ртути, включающий кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели [2]
При сорбции паров ртути масса электродов увеличивается и собственная частота резонаторов уменьшается. Изменение частоты пропорционально массе сорбированного вещества. Десорбция ртути осуществляется нагревом резонатора с помощью пленочных нагревателей. Для упрощения конструкции анализатора с массочувствительным пьезоэлектрическим сенсором (кварцевым резонатором) в качестве аналитического сигнала обычно используют изменение разности частот сенсора (измерительного резонатора) и эталонного резонатора, находящегося в герметичной оболочке.

Недостатком известного пьезоэлектрического сенсора паров ртути является зависимость собственной частоты резонатора от температуры окружающей среды, что приводит к ошибкам измерения паров ртути при изменении температуры во время измерения.

Задачей изобретения является создание пьезоэлектрического сенсора паров ртути, параметры которого слабо зависят от температуры окружающей среды.

Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический сенсор паров ртути, включающий кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели, снабжен второй парой металлических электродов с алюминиевой поверхностью, размещенных на кварцевой пластине.

Кроме того, при выполнении сенсора возможно нанесение на одну пару электродов золотого покрытия, а на вторую пару покрытия из алюминия или выполнение электродов из алюминия, при этом на одну из пар нанесено покрытие из золота или одна пара электродов выполнена из золота, а вторая пара электродов из алюминия.

На фиг. 1 представлен общий вид пьезометрического сенсора паров ртути, на фиг. 2 разрез А А фиг. 1, на фиг. 3 график изменения частот измерительного и эталонного резонаторов при воздействии на них парами ртути, на фиг. 4 график, отражающий влияние изменения температуры на частоту измерительного резонатора и на разность частот измерительного и эталонного резонаторов.

Пьезоэлектрический сенсор паров ртути (фиг. 1, 2) выполнен в виде кварцевой пластины 1, вырезанной под определенным углом к кристаллографическим осям (обычно наиболее целесообразно использовать АТ-срез, при котором возникают толщинно-сдвиговые колебания). На пластину 1 нанесены две пары металлических электродов измерительные электроды 2 и эталонные электроды 3 (конкретный состав материала электродов не имеет принципиального значения - должна обеспечиваться только достаточная величина адгезии к кварцу). На измерительные электроды 2 нанесено золотое покрытие 4, а на электроды 3 - алюминиевое покрытие 5. Электрические выводы 6 от всех электродов выведены на торцевые части кварцевой пластины 1. Расстояние между центрами электродов 2 и 3 выбирается исходя из необходимости обеспечения независимости акустических колебаний в резонаторах, образованных электродами 2 и 3 на общей кварцевой пластине 1. Практически достаточно, если расстояние между центрами электродов в 2 3 раза превышает линейный размер электродов в том же направлении. Кроме электродов на поверхности кварцевой пластины 1 нанесены пленочные нагреватели 7. При изготовлении предложенного сенсора можно с целью упрощения вместо нанесения на металлические электроды 2 и 3 золотого 4 и алюминиевого 5 покрытий изготовлять электроды из алюминия, а на одну пару наносить золотое покрытие. Возможно также изготовление электродов 2 и 3 вообще без покрытий при этом одна пара электродов выполняется из золота, а другая из алюминия. Пленочные нагреватели 7 могут быть изготовлены из любого металла или сплава, например нихрома.

Пьезоэлектрический сенсор паров ртути работает следующим образом. В обоих резонаторах, образованных электродами 2 и 3 на общей кварцевой пластине 1, возбуждают известным способом акустические колебания с близкими частотами f_изм (резонатор с электродами 2) и f_эт (резонатор с электродами 3). При этом f_изм <f_эт. Смесь паров ртути с воздухом подводят к пьезоэлектрическому сенсору. Пары ртути сорбируются золотым покрытием 4 измерительных электродов 2. Вследствие этого частота f_изм измерительного резонатора, образованного измерительными электродами 2 и кварцевой пластиной 1, начинает уменьшаться (фиг. 3). Скорость уменьшения частоты f_изм пропорциональна концентрации паров ртути.

Как показали специальные измерения, покрытие 5, выполненное из алюминия, не сорбирует паров ртути. Поэтому частота f_эт эталонного резонатора, образованного эталонными электродами 3 и кварцевой пластиной 1, остается неизменной в процессе измерения (f_эт const), а разностная частота f_разн f_эт f_изм изменяется вследствие сорбции паров ртути электродами 2 измерительного резонатора.

Измеряемая концентрация паров ртути С_Hg определяется по соотношению:

где k численный коэффициент сенсора;
Δf_разн изменение разностной частоты в процессе измерения f_разн f_разн(t₂) f_разн(t₁),
t₂ t₁ временной интервал, в течение которого происходит сорбция паров ртути золотым покрытием 4 измерительных электродов 2.

При изменении в процессе измерения температуры окружающей среды частоты измерительного и эталонного резонаторов изменяются. Однако, поскольку резонаторы выполнены на одной кварцевой пластине, их температурные коэффициенты практически одинаковы и, следовательно, разностная частота f_разн f_эт f_изм не зависит (или очень слабо зависит) от изменения температуры.

После измерения производится термическая десорбция ртути с электродов 2 и 3 сенсора путем его нагревания с помощью пленочных нагревателей 7.

Пример выполнения сенсора.

Сенсор, конструкция которого изображена на фиг. 1, 2, выполнен на кварцевой пластине 1 размерами 14 х 9 х 0,17 мм. Кристаллографический срез - типа АТ (толщинно-сдвиговые колебания). Hа пластину 1 нанесены две пары электродов 2 и 3 из никеля размером 2 х 2 мм с расстоянием между центрами электродов 6 мм. На одну пару электродов 2 вакуумным напылением нанесено золотое покрытие толщиной ≈ 0,1 мкм, на другую 3 покрытие из алюминия толщиной ≈ 0,7 мкм (разные толщины покрытий выбраны для того, чтобы получить одинаковые массы покрытий и тем самым близость частот измерительного и эталонного резонаторов). Частоты измерительного и эталонного резонаторов составили f_изм 10000,550 кГц; f_эт 10010,600 кГц, а разностная частота f_разн 10,050 кГц. Hа обеих поверхностях кварцевой пластины нанесены также соединенные параллельно пленочные нагреватели 7 из нихрома, окружающие полукольцом измерительные 2 и эталонные 3 электроды. Пары ртути создавались методом испарения с открытой поверхности с последующим разбавлением их воздухом. Концентрация паров ртути контролировалась ртутным атомно-абсорбционным фотометром. Калибровочный коэффициент сенсора паров ртути составил k 0,04 мин/Гц•мг/м³.

При измерениях концетрации паров ртути С_Hg 0,10 мг/м³ изменение разностной частоты в процессе измерения составило Δf_разн 9,5 Гц, а временной интервал, в течение которого разностная частота изменилась на эту величину, составил t₂ t₁ 4,0 мин, отсюда С_Hg 0,095 мг/м³ (погрешность измерения δ 5%).

Измерения влияния температуры (фиг. 4) показали, что при изменении температуры на величину Т 5^oC изменение частот измерительного и эталонного резонаторов составили соответственно 11,0 Гц и 11,9 Гц и, следовательно, разностная частота изменилась только на 0,9 Гц. Полученные данные позволяют сделать вывод, что при измерении концентраций паров ртути на уровне 0,1 мг/м³ и при изменении температуры на 1^oC погрешность измерения для предложенного сенсора составит: , а для известного сенсора
при прочих равных параметрах , т.е. в 12 раз больше.

Использование: изобретение относится к аналитическому приборостроению, может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также для экологического контроля и позволяет создать пъезоэлектрический сенсор паров ртути, параметры которого слабо зависят от температуры окружающей среды. Сущность изобретения: пьезоэлектрический сенсор паров ртути содержит кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели, сенсор снабжен второй парой металлических электродов с алюминиевой поверхностью, размещенных на кварцевой пластине. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пьезоэлектрический сенсор паров ртути, включающий кварцевую пластину и расположенные на ней пару металлических электродов с сорбирующей золотой поверхностью и пленочные нагреватели, отличающийся тем, что сенсор снабжен второй парой металлических электродов с алюминиевой поверхностью, размещенных на кварцевой пластине. 2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что на одну пару электродов нанесено золотое покрытие, а на вторую пару покрытие из алюминия. 3. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из алюминия, при этом на одну из пар нанесено покрытие из золота. 4. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что одна пара электродов выполнена из золота, а вторая пара из алюминия.