專(zhuān)利名稱(chēng)：利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種低成本、方便可行的利用聲表
面波器件測(cè)試氣體濃度的方法。
背景技術(shù)：
1979年，Wohlt jen和Dessy最早報(bào)道采用聲表面波(SAW)延遲線振蕩器探測(cè)化學(xué)
蒸汽，由此開(kāi)啟了人們對(duì)一種新型傳感器——聲表面波傳感器的研究之門(mén)。 聲表面波氣體傳感器測(cè)量氣體具有精度高，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，適合遠(yuǎn)距離
傳輸，測(cè)量再現(xiàn)性好，易與計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)接口 ，易實(shí)現(xiàn)微型化、集成化、智能化，不需要在
加熱狀態(tài)下工作，穩(wěn)定度高、功耗小等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，聲表面波傳感器被越來(lái)越
廣泛的應(yīng)用在氣體傳感器等方面。 SAW氣體傳感器是眾多SAW傳感器中最為復(fù)雜，涉及面較廣的傳感器類(lèi)型。目前，SAW氣體傳感器已用于對(duì)S(^、水蒸氣、丙酮、甲醇、112、1125、冊(cè)2及有毒氣體的檢測(cè)。在SAW氣體傳感器研究初期，均采用延遲線型單端或雙端結(jié)構(gòu)SAW器件作為傳感器。直到1990年，Wast son等人首次報(bào)道了采用高Q值SAW諧振器結(jié)構(gòu)的SAW傳感器用于氣體濃度的檢測(cè)，將分辨率從以前的1 X 10—9g改進(jìn)到1 X 10—12g，甚至到1 X 10—15g。 隨著SAW傳感器的發(fā)展，其信號(hào)的處理技術(shù)也變得日益重要起來(lái)，目前對(duì)聲表面波傳感器信號(hào)進(jìn)行測(cè)量主要集中在頻率測(cè)量上，很多大學(xué)、研究所對(duì)聲表面波傳感器信號(hào)的處理大部分都集中在對(duì)信號(hào)頻率改變的測(cè)試方面，雖然準(zhǔn)確但也存在一些缺點(diǎn)，測(cè)量頻率涉及信號(hào)提取，放大，分析，處理，電路需要針對(duì)不同的聲表面波傳感器專(zhuān)門(mén)搭建，成本高，時(shí)間周期長(zhǎng)，而且只能處理單一頻率的信號(hào)如果聲表面波器件設(shè)計(jì)有缺陷，則信號(hào)處理電路也不能重復(fù)使用，造成資源的浪費(fèi)。 因此迫切需要一種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，以檢驗(yàn)該聲表器件設(shè)計(jì)方案是否可行，這就要求該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，可重復(fù)使用，測(cè)量范圍寬。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問(wèn)題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，以簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，降低測(cè)試成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的測(cè)試。
( 二 )技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 —種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，該方法包括 步驟101 :在壓電晶體襯底上蒸鍍?nèi)齻€(gè)互相平行且具有一定間隔的叉指換能器，分別記為第一換能器、第二換能器和第三換能器； 步驟102 :在第二換能器與第三換能器之間蒸鍍一層寬度為d的敏感膜，該敏感膜能夠吸附被測(cè)氣體；
步驟103 :將第一換能器連接于信號(hào)發(fā)生器，將第二換能器和第三換能器分別連接于示波器的兩個(gè)通道，構(gòu)成測(cè)試設(shè)備，并將測(cè)試設(shè)備放入試驗(yàn)容器中； 步驟104 :在容器中無(wú)被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一脈沖信號(hào)，第一換能器將此脈沖信號(hào)通過(guò)壓電晶體襯底傳給第二換能器和第三換能器，在示波器中顯示第二換能器與第三換能器接收信號(hào)的時(shí)間間隔tn ; 步驟105 :在容器中充入一定濃度的被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器再發(fā)射一脈沖信號(hào)，第一換能器將此脈沖信號(hào)通過(guò)壓電晶體襯底傳給第二換能器和第三換能器，在示波器中顯示第二換能器與第三換能器接收信號(hào)的時(shí)間間隔t22 ; 步驟106 :根據(jù)測(cè)得的時(shí)間間隔tn、t12以及敏感膜的寬度d，計(jì)算脈沖信號(hào)在有無(wú)被測(cè)氣體時(shí)在敏感膜中傳輸速度的變化量Av ; 步驟107 :重復(fù)執(zhí)行步驟105和106，得到聲表面波速度變化與被測(cè)氣體濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 步驟108 :在檢測(cè)未知濃度的氣體時(shí)，首先測(cè)量并計(jì)算聲表面波速度的變化值，然后根據(jù)步驟107得到的速度變化與被測(cè)氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到被測(cè)氣體的濃度。
上述方案中，步驟106中所述根據(jù)測(cè)得的時(shí)間間隔tn、t12以及敏感膜的寬度d，計(jì)算脈沖信號(hào)在有無(wú)被測(cè)氣體時(shí)在敏感膜中傳輸速度的變化量Av，采用的計(jì)算公式是Av=(d/tn-d/t22)。 上述方案中，步驟101中所述壓電晶體襯底為石英襯底、鈮酸鋰襯底或鍺酸鋰襯底。 上述方案中，步驟102中所述敏感膜為金屬鈀膜。
(三)有益效果 1、本發(fā)明提供的這種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，主要的儀器僅需要信號(hào)發(fā)生器和示波器，方便簡(jiǎn)單，適用于各種聲表面氣體傳感器，測(cè)量范圍大，可重復(fù)使用，簡(jiǎn)化了測(cè)試步驟，降低了測(cè)試成本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體濃度的測(cè)試。 2、本發(fā)明提供的這種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，可以方便的對(duì)各種聲表面波氣體傳感器進(jìn)行測(cè)試，具有所需設(shè)備少，簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，用途多，誤差小的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明提供的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法流程圖； 圖2至圖4是依照本發(fā)明實(shí)施例的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的工藝流程
圖； 圖5是依照本發(fā)明實(shí)施例在示波器中顯示換能器B與換能器C接收信號(hào)的時(shí)間間隔tn ; 圖6是依照本發(fā)明實(shí)施例在示波器中顯示換能器B與換能器C接收信號(hào)的時(shí)間間隔t12。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法流程圖， 該方法包括以下步驟 步驟101 :在壓電晶體襯底上蒸鍍?nèi)齻€(gè)互相平行且具有一定間隔的叉指換能器， 分別記為第一換能器、第二換能器和第三換能器； 步驟102 :在第二換能器與第三換能器之間蒸鍍一層寬度為d的敏感膜，該敏感膜 能夠吸附被測(cè)氣體； 步驟103 :將第一換能器連接于信號(hào)發(fā)生器，將第二換能器和第三換能器分別連 接于示波器的兩個(gè)通道，構(gòu)成測(cè)試設(shè)備，并將測(cè)試設(shè)備放入試驗(yàn)容器中； 步驟104 :在容器中無(wú)被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一脈沖信號(hào)，第一換能器將此 脈沖信號(hào)通過(guò)壓電晶體襯底傳給第二換能器和第三換能器，在示波器中顯示第二換能器與 第三換能器接收信號(hào)的時(shí)間間隔tn ; 步驟105 :在容器中充入一定濃度的被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器再發(fā)射一脈沖信號(hào)， 第一換能器將此脈沖信號(hào)通過(guò)壓電晶體襯底傳給第二換能器和第三換能器，在示波器中顯 示第二換能器與第三換能器接收信號(hào)的時(shí)間間隔t22 ; 步驟106 :根據(jù)測(cè)得的時(shí)間間隔tn、t12以及敏感膜的寬度d，計(jì)算脈沖信號(hào)在有無(wú) 被測(cè)氣體時(shí)在敏感膜中傳輸速度的變化量Av ; 在本步驟中，計(jì)算脈沖信號(hào)在有無(wú)被測(cè)氣體時(shí)在敏感膜中傳輸速度的變化量Av， 采用的計(jì)算公式是Av = (d/tn-d/t22)。 步驟107 :重復(fù)執(zhí)行步驟105和106，得到聲表面波速度變化與被測(cè)氣體濃度之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 步驟108 :在檢測(cè)未知濃度的氣體時(shí)，首先測(cè)量并計(jì)算聲表面波速度的變化值，然 后根據(jù)步驟107得到的速度變化與被測(cè)氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到被測(cè)氣體的濃度。
本發(fā)明采用壓電晶體作為襯底材料，壓電晶體可以是石英、鈮酸鋰或鍺酸鋰等，在 其上蒸鍍上三個(gè)互相平行的叉指換能器，分別稱(chēng)為換能器A，換能器B和換能器C，如圖2所 示，換能器B和換能器C之間覆蓋一層長(zhǎng)為d敏感膜，該敏感膜對(duì)氣體有吸附作用。再將信 號(hào)發(fā)生器接到換能器A，換能器B和換能器C分別接到示波器的兩個(gè)通道。如圖3所示。將 設(shè)備放入試驗(yàn)容器中，容器中無(wú)敏感氣體，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一脈沖信號(hào)，換能器A將此信號(hào) 通過(guò)壓電晶體傳給換能器B和換能器C，由于換能器B和換能器C間隔一定的距離，所以在 示波器中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)相隔一段時(shí)間tn的信號(hào)。充入一定濃度，設(shè)為&的氣體后，再進(jìn)行測(cè) 量，得到兩個(gè)信號(hào)相隔的時(shí)間變?yōu)閠^，則可以得到速度的變化量為(d/tu-d/t22)，此變化量 是由敏感膜吸附了氣體而造成的。速度的變化量和充入容器內(nèi)氣體的濃度是一一對(duì)應(yīng)的， 所以將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，就得到聲表面波速度變化與被測(cè)氣體濃度之間的關(guān)系。
圖2至圖4示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的工藝流 程圖，具體包括以下步驟 步驟1、采用127. 86° Y_X切向的鈮酸鋰材料作為襯底，在無(wú)敏感膜時(shí)聲表面波傳 播速度為3485m/s。襯底厚度約為0. 5mm，經(jīng)過(guò)清洗，光刻，濺射等步驟在其上行成三個(gè)完全 相同的換能器。如圖4所示。 步驟2、在換能器B與換能器C之間蒸鍍上金屬鈀膜，該金屬鈀膜的寬度為d，且對(duì) 氫氣有吸附作用，如圖2所示。
步驟3、將換能器B和換能器C分別接入示波器的通道①和通道②，同時(shí)將信號(hào)發(fā)生器接入換能器A，然后將設(shè)備放入密封的氣體容器中，如圖3所示。 步驟4、當(dāng)容器中沒(méi)有被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一脈沖信號(hào)，激勵(lì)換能器A產(chǎn)生聲表面波；產(chǎn)生的聲表面波在壓電晶體上傳播，換能器B首先接收到傳來(lái)的聲表面波信號(hào)，并在示波器上顯示出來(lái)；經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，換能器C再接收到傳來(lái)的聲表面波信號(hào)，并在示波器上顯示出來(lái)。由示波器可以讀出兩個(gè)換能器接收信號(hào)之間相隔的時(shí)間，記為tn。在示波器上得到如圖5所示的圖像。 步驟5、向容器中充入一定濃度的被測(cè)氣體，氣體濃度記為Q p同時(shí)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，與權(quán)利4相同，從示波器中可以讀出兩個(gè)換能器接收信號(hào)之間的相隔時(shí)間，記為t『在示波器上得到如圖6所示的圖像。 步驟6、根據(jù)測(cè)量結(jié)果tn和t^，可以計(jì)算得到速度v的變化量Av的值為AV =(d/tu-d/t22)。再將該速度變化值與被測(cè)氣體的濃度對(duì)應(yīng)起來(lái)，然后不斷重復(fù)執(zhí)行步驟4和5，得到聲表面波速度變化與被測(cè)氣體濃度之間的關(guān)系。 步驟7、在檢測(cè)未知濃度氣體時(shí)得到的聲表面波速度的變化值，根據(jù)得到的速度與被測(cè)氣體的濃度的關(guān)系，就可以得到被測(cè)氣體的濃度。 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，其特征在于，該方法包括步驟101在壓電晶體襯底上蒸鍍?nèi)齻€(gè)互相平行且具有一定間隔的叉指換能器，分別記為第一換能器、第二換能器和第三換能器；步驟102在第二換能器與第三換能器之間蒸鍍一層寬度為d的敏感膜，該敏感膜能夠吸附被測(cè)氣體；步驟103將第一換能器連接于信號(hào)發(fā)生器，將第二換能器和第三換能器分別連接于示波器的兩個(gè)通道，構(gòu)成測(cè)試設(shè)備，并將測(cè)試設(shè)備放入試驗(yàn)容器中；步驟104在容器中無(wú)被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一脈沖信號(hào)，第一換能器將此脈沖信號(hào)通過(guò)壓電晶體襯底傳給第二換能器和第三換能器，在示波器中顯示第二換能器與第三換能器接收信號(hào)的時(shí)間間隔t11；步驟105在容器中充入一定濃度的被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)發(fā)生器再發(fā)射一脈沖信號(hào)，第一換能器將此脈沖信號(hào)通過(guò)壓電晶體襯底傳給第二換能器和第三換能器，在示波器中顯示第二換能器與第三換能器接收信號(hào)的時(shí)間間隔t22；步驟106根據(jù)測(cè)得的時(shí)間間隔t11、t12以及敏感膜的寬度d，計(jì)算脈沖信號(hào)在有無(wú)被測(cè)氣體時(shí)在敏感膜中傳輸速度的變化量Δv；步驟107重復(fù)執(zhí)行步驟105和106，得到聲表面波速度變化與被測(cè)氣體濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟108在檢測(cè)未知濃度的氣體時(shí)，首先測(cè)量并計(jì)算聲表面波速度的變化值，然后根據(jù)步驟107得到的速度變化與被測(cè)氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到被測(cè)氣體的濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，其特征在于，步驟 106中所述根據(jù)測(cè)得的時(shí)間間隔tn、 t12以及敏感膜的寬度d，計(jì)算脈沖信號(hào)在有無(wú)被測(cè)氣 體時(shí)在敏感膜中傳輸速度的變化量Av，采用的計(jì)算公式是AV= (d/tn-d/t22)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，其特征在于，步驟 101中所述壓電晶體襯底為石英襯底、鈮酸鋰襯底或鍺酸鋰襯底。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，其特征在于，步驟 102中所述敏感膜為金屬鈀膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用聲表面波器件測(cè)試氣體濃度的方法，利用聲表面波氣體傳感器在吸附被測(cè)氣體前后，聲表面波在其上傳播速度的不同，來(lái)定量得到被測(cè)氣體的濃度。其主要步驟為使用信號(hào)發(fā)生器在雙端對(duì)聲表面波氣體傳感器一側(cè)發(fā)射一短脈沖信號(hào)，并用示波器的不同通道對(duì)聲表面波氣體傳感器兩端同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果同被測(cè)氣體的濃度聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行標(biāo)定。利用這種方法可以方便的對(duì)各種聲表面波氣體傳感器進(jìn)行測(cè)試。這種方法具有所需設(shè)備少，簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，用途多，誤差小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N29/036GK101726539SQ20081022490
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者朱晨昕, 李昊峰, 李維龍, 賈銳, 陳晨 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所