ПИП на поверхностных акустических волнах

Такие высокоточные и быстродействующие весы используются, например, в лабораториях тонких химических и биохимических анализов и синтезов в таких сферах применения, как фармацевтическая и косметическая промышленность, добыча и обработка драгоценных редких металлов, геологическая разведка, микроэлектроника, цветная металлургия, судебная экспертиза, научные исследования и т.п.

Вообще говоря, Простейший датчик массы можно создать, используя принцип распространения  ПАВ, рассмотренный ранее. Изменения  массы, вызванные например, процессом  испарения, влияют на скорость распространения волны, что в свою очередь приводит к изменению частоты. Изменение частоты определяется следующим выражением:

∆f = (k₁+k₂) f₀²  ∆μ,

где μ – масса  на единицу площади,

      k₁ и k₂ – константы материала,

 Также существуют  ПАВ сенсоры влажности воздуха с чувствительными пленками из полидиэтинилбензола или из натрийполисульфонсульфоната. В качестве пьезоэлектрика использован кристалл LiNbО₃ на частоте 138 МГц.

 
1 – встречно-штыревые преобразователи  электрического сигнала в ПАВ; 

2 – встречно-штыревые  преобразователи ПАВ в электрический  сигнал.

 

Рисунок 18 – Принцип действия сенсоров на ПАВ

 

Чтобы компенсировать влияние температуры и давления, использованы две одинаковые, расположенные рядом, ПАВ структуры, одна из которых (опорная) была изолирована от воздействия внешнего воздуха. Принцип действия такого датчика показан на рисунке 18. Сенсор отлично работает в диапазоне значений относительной влажности 20-85% с чувствительностью 0,4 кГц (дифференциальное изменение частоты) на 1% относительной влажности.

3.6 Датчики магнитного  поля

Магнитоупругий эффект, или магнитострикция был обнаружен Джоулем. Магнитоупругие материалы изменяют свою длину при помещении в продольное магнитное поле.

Если тонкая пленка материала, обладающего магнитоупругими свойствами, помещается на прибор ПАВ, то при наличии  магнитного поля вдоль границы слоев возникает механическое напряжение, поскольку изменяется длина магнитоупругой пленки. Эти напряжения влияют на скорость распространения ПАВ.

Но основной проблемой  в датчиках магнитного поля на ПАВ  является  необходимость работать на низких частотах для увеличения радиуса действия пьезопреобразователи. Благодаря сильному магнитострикционному эффекту, большой плотности энергии очень перспективным активным материалом является тонкая пленка материала, обладающего магнитоупругими свойствами, помещённая на прибор ПАВ. Обычно такие излучатели функционируют в резонансных условиях.

3.7 Применение ПАВ для автоматической радиоидентификации

Интересным  применением относительно дешевых  сенсоров на ПАВ стала автоматическая радиоидентификация багажа, контейнеров, транспортных единиц, важных почтовых отправлений. Схема их радиоидентификации показана на рисунке 19. В багаж, подлежащий бдительному контролю, за дополнительную плату вкладывают небольшой радиоидентификатор с индивидуальным кодом. В аэропортах, на вокзалах, в морских или речных портах, на транспортных узлах и контрольных пунктах устанавливают системы автоматической радиоидентификации. В состав такой системы входит микрокомпьютер 1, принимающий через каналы связи запросы на проверку контролируемых грузов. Получив запрос с кодами контролируемых грузов, он через генератор 2 и радиоантенну 3 автоматически организует излучение фазо-манипулированных радиосигналов на частоте порядка 1 ГГц с позывными соответствующих грузов. Радиоидентификаторы, вложенные в грузы, принимают эти позывные, усиливают и подают на свой индивидуальный ПАВ селектор.

 
Рисунок 19 – Схема функционирования системы радиоидентификации багажа и структура ВШП, соответствующая коду "110011011"

 

Несколько упрощенная топология ВШП (встречно-штыревые преобразователи) в таком селекторе, соответствующая  коду 110011011, показана на рисунке 19 внизу. Двоичным "0" и "1" соответствует различное подключение пары соседних штырей. В реальных устройствах длина индивидуального кода достигает 128 бит и более. Пик напряжения на выходе такого селектора появляется только тогда, когда код позывного сигнала точно совпадает с его собственным индивидуальным кодом. Лишь в этом случае, радиоидентификатор "откликается" на позывной сигнал, посылая в ответ свой код.

Этот отклик принимается антенной 3, усиливается  радиоприемником 4 и передается на фазовый  детектор 5, который формирует двоичный код. Микрокомпьютер 1 сравнивает этот код с кодом контролируемого груза и, если они совпадают, фиксирует это в своей памяти. Затем с помощью генератора 2 и радиоантенны 3 излучаются позывные следующего контролируемого груза, и процесс повторяется. После обработки всего запроса микрокомпьютер формирует ответ на него и через каналы связи автоматически информирует запрашивающего о наличии или отсутствии в данном контрольном пункте соответствующих грузов.

Аналогичные сенсоры  на ПАВ используют также для радиоидентификации автомобилей.

3.8 Химические и биохимические сенсоры на ПАВ

Если на чувствительную зону нанести специальное покрытие (окислы металлов, полимерные пленки и  т.п.), избирательно сорбирующее молекулы определенного газа или пара из окружающего воздуха, то получим довольно чувствительный ПАВ сенсор присутствия в воздухе соответствующих веществ. Уже разработаны и промышленно выпускаются ПАВ сенсоры для контроля наличия большинства важных органических и неорганических газов в технологической среде и в атмосфере помещений.

В настоящее  время разработан ПАВ сенсор с  рабочей частотой 6-8 ГГц, в котором  используется ориентированная пьезоэлектрическая пленка из нитрида алюминия (AlN) толщиной до 300 нм. ВШП сформированы с обеих ее сторон, как показано на рисунке 20 (в). Отражатель акустических волн 7 выполнен в виде многослойной структуры AlN/SiО₂. На чувствительную поверхность нанесен тонкий слой полиметилметакрилата толщиной 10-20 нм, выполняющий роль избирательного геттера молекул ацетона из окружающего воздуха. В другом варианте для сорбции молекул ацетона из воздуха на верхний электрод из платины наносят мономолекулярный слой 1-1-меркаптондекановой кислоты. В обоих случаях сенсор имел чувствительность порядка единиц пикограмма (10^–12 г) на площадке 30×30 мкм.

а – на толстой основе; б – на пьезоэлектрической пленке; в – с отражателем.

 

Рисунок 20 – Возможные конструкции сенсоров на ПАВ

 

Есть ПАВ  иммуносенсор для выявления присутствия  молекул кокаина. Для этого на чувствительную зону осажден протеин  А, на котором иммобилизованы антитела антибензойлекгоина, избирательно чувствительные к молекулам кокаина. Использовались ПАВ с частотой 250 МГц. В случае наличия в окружающем воздухе даже незначительного количества молекул кокаина наблюдается заметный частотный сдвиг колебаний, по величине которого определяется концентрация кокаина.

За последнее  десятилетие были созданы также  матричные ПАВ сенсоры. Их еще  называют мультисенсорами. В них  на одном кристалле формируется  одновременно целый массив ПАВ сенсоров, на каждый из которых наносят свою чувствительную пленку. Большинство  разработок выполнены в области мультисенсорных газоанализаторов, в которых контролируемый объем воздуха анализируется на присутствие сразу десятков различных веществ.

3.9 Применение ПАВ в адаптивных композитных структурах

Одним из интересных применений сенсоров на ПАВ стало  их использование в так называемых "адаптивных самоконтролируемых композитных структурах". Речь идет о композитных материалах, предназначенных для очень ответственных применений: обшивки космических и глубоководных аппаратов, самолетов, специальных роботов для работы в агрессивной среде или в условиях высокой радиации, поверхности предельно легких, но прочных строительных конструкций и т.п. Эти материалы, во-первых, должны противостоять довольно жёстким внешним воздействиям, во-вторых, должны быть способны целесообразно изменять свои свойства в зависимости от условий окружающей среды и при изменении режимов работы соответствующего аппарата и, наконец, должны сами постоянно контролировать свою механическую целостность. Для реализации последнего и применяют сенсоры на ПАВ. Принцип действия объясняет рисунок 21.

 
Рисунок 21 –  Распространение ПАВ: слева – в неповрежденной структуре, справа – при наличии механического повреждения

В конструкцию композитной обшивки встраивают пьезоэлектрические излучатели 1 и приемники 2 ПАВ. Их работой руководит микрокомпьютер. Он инициирует возбуждение в обшивке ПАВ разных частот и фиксирует в своей памяти характеристики волн, принятых в нормальных условиях акустическими приемниками, установленными в разных точках структуры (временные задержки, фазы, амплитуды). По изменениям этих характеристик в ходе работы микрокомпьютер может определять изменение внешних условий (давления, температуры и т.д.). Если в обшивке появляется механическое повреждение 3, то характер распространения ПАВ изменяется (рисунок 20, справа): возникают дополнительные рассеянные волны, а первичные волны за дефектом экранируются. По выявленным изменениям характеристик принятых волн микрокомпьютер рассчитывает местоположение и степень опасности дефекта для всей конструкции.

Несмотря на разнообразное  наличие и применение современных  химических и биохимических датчиков, для них характерна одна очень  важная проблема. Это химическое загрязнение. Оно является проблемой многих датчиков, например, в детекторах каталитического типа кремний и тетраэтилсвинец, осаждаясь на поверхности чувствительных элементов, замедляют процесс окисления углеводородов, что ведет к занижению показаний. Иногда для предотвращения попадания загрязняющих реагентов в химические датчики встраивают специальные фильтры, задерживающие ненужные вещества, не оказывая при этом никакого влияния на исследуемые компоненты.

Химические и биохимические  датчики на основе поверхностных  акустических волн (ПАВ), подвергаются механическому загрязнению чувствительных адсорбирующих пленок исследуемыми реагентами, что приводит к необратимому изменению их массы, а, следовательно, и уходу от калибровочных параметров. То же самое происходит и с чувствительными покрытиями оптоволоконных детекторов, постоянно загрязняемых неудаляемыми компонентами, снижающими их отражательную способность, что приводит к ложному детектированию исследуемых реагентов.

Существует еще одна проблема, характерная только для  химических датчиков, заключающаяся в том, что большинство химических реакций протекают только при условии использования стехиометрических смесей со сбалансированными уровнями концентраций реагентов. Например, в реактивных углеводородных детекторах для проведения измерений необходимо, чтобы концентрация углеводородов соответствовала концентрации кислорода в смеси. При большой концентрации углеводородов (или недостаточной концентрации кислорода) в реакцию вступит только часть углеводородов, что приведет к занижению результатов измерений.

 

 

4 ПРИМЕНЕНИЕ ПАВ-ДАТЧИКОВ  ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

Основу датчиков на ПАВ  составляют пьезопреобразователи на поверхностно-акустических волнах. В датчиках на ПАВ получили распространение два основных типа преобразователей: линии задержки и резонаторы.

Датчики на ПАВ применяются  для измерения температуры, давления, перемещения, ускорения и пр. В основе работы этих датчиков лежат изменения геометрических размеров, плотности и других свойств материалов звукопровода. При этом изменяется скорость ПАВ, которая связана с величиной измеряемого воздействия. Датчики на ПАВ строятся в основном по схемам с частотным и фазовым выходами. Простейшая схема датчика с фазовым выходом изображена на рисунке 22 (а). Она содержит линию задержки 1 и генератор опорной частоты 2. Фазометр 3 измеряет изменение фазы ∆φ между входом и выходом. Однако точность измерения в такой схеме зависит от температуры. Этот недостаток устраняется в дифференциальных схемах, изображенных на рисунке 22 (б).

а – простейшая схема датчика с фазовым выходом;                                           б – дифференциальная схема датчика.

 

Рисунок 22 – Схемы датчиков на ПАВ с фазовым выходом

 

Рассмотрим датчики  температуры на основе ПАВ. К термодатчикам  предъявляются требования высокой линейности, что обеспечивается нулевыми либо близкими к нулю значениями температурных коэффициентов.

При конструировании  ПАВ-термодатчиков возникает ряд  принципиальных трудностей, ограничивающих сферу их применений. Одна из них  связана с проблемой размещения электронной схемы возбуждения. Учитывая, что рабочие частоты высокие (обычно 100 МГц и выше), генератор должен устанавливаться в непосредственной близости от ПАВ-структуры. Это ограничивает предельную температуру в большинстве случаев значениями 100 - 125 °С. При построении датчика по дифференциальной схеме приходится сталкиваться с проблемой стабилизации опорного ПАВ-генератора в диапазоне рабочих температур. Таким образом, линейный ПАВ-термодатчик, выполненный по дифференциальной схеме, реализуется только на сравнительно узкий температурный диапазон.

Одно из потенциальных  преимуществ термодатчиков на ПАВ  – возможность обеспечить конструктивными  средствами хороший тепловой контакт  между контролируемым объектом и  тыльной стороной подложки, с ПАВ-структурой.. Пример реализации термодатчика на ПАВ приведен на рисунке 23. Датчик конструктивно содержит кварцевую подложку с ПАВ-преобразователями, контактирующую с контролируемым объектом своей нижней поверхностью. ПАВ-преобразователь находится в герметизированном, заполненном гелием объеме; соединение с электронной схемой осуществляется через гермовводы.