專利名稱：利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法
技術領域：
本發明涉及傳感器信號處理技術領域，特別是一種低成本、方便可行的利用聲表
面波器件測試氣體濃度的方法。
背景技術：
1979年，Wohlt jen和Dessy最早報道采用聲表面波(SAW)延遲線振蕩器探測化學
蒸汽，由此開啟了人們對一種新型傳感器——聲表面波傳感器的研究之門。 聲表面波氣體傳感器測量氣體具有精度高，分辨率高，抗干擾能力強，適合遠距離
傳輸，測量再現性好，易與計算機、微處理機接口 ，易實現微型化、集成化、智能化，不需要在
加熱狀態下工作，穩定度高、功耗小等特點。經過數十年的研究，聲表面波傳感器被越來越
廣泛的應用在氣體傳感器等方面。 SAW氣體傳感器是眾多SAW傳感器中最為復雜，涉及面較廣的傳感器類型。目前，SAW氣體傳感器已用于對S(^、水蒸氣、丙酮、甲醇、112、1125、冊2及有毒氣體的檢測。在SAW氣體傳感器研究初期，均采用延遲線型單端或雙端結構SAW器件作為傳感器。直到1990年，Wast son等人首次報道了采用高Q值SAW諧振器結構的SAW傳感器用于氣體濃度的檢測，將分辨率從以前的1 X 10—9g改進到1 X 10—12g，甚至到1 X 10—15g。 隨著SAW傳感器的發展，其信號的處理技術也變得日益重要起來，目前對聲表面波傳感器信號進行測量主要集中在頻率測量上，很多大學、研究所對聲表面波傳感器信號的處理大部分都集中在對信號頻率改變的測試方面，雖然準確但也存在一些缺點，測量頻率涉及信號提取，放大，分析，處理，電路需要針對不同的聲表面波傳感器專門搭建，成本高，時間周期長，而且只能處理單一頻率的信號如果聲表面波器件設計有缺陷，則信號處理電路也不能重復使用，造成資源的浪費。 因此迫切需要一種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，以檢驗該聲表器件設計方案是否可行，這就要求該方法簡單實用，成本低，可重復使用，測量范圍寬。
發明內容
( — )要解決的技術問題 有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，以簡化測試步驟，降低測試成本，實現對氣體濃度的測試。
( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下 —種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，該方法包括 步驟101 :在壓電晶體襯底上蒸鍍三個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氣體；
步驟103 :將第一換能器連接于信號發生器，將第二換能器和第三換能器分別連接于示波器的兩個通道，構成測試設備，并將測試設備放入試驗容器中； 步驟104 :在容器中無被測氣體時，信號發生器發射一脈沖信號，第一換能器將此脈沖信號通過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的時間間隔tn ; 步驟105 :在容器中充入一定濃度的被測氣體時，信號發生器再發射一脈沖信號，第一換能器將此脈沖信號通過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的時間間隔t22 ; 步驟106 :根據測得的時間間隔tn、t12以及敏感膜的寬度d，計算脈沖信號在有無被測氣體時在敏感膜中傳輸速度的變化量Av ; 步驟107 :重復執行步驟105和106，得到聲表面波速度變化與被測氣體濃度之間的對應關系； 步驟108 :在檢測未知濃度的氣體時，首先測量并計算聲表面波速度的變化值，然后根據步驟107得到的速度變化與被測氣體濃度的對應關系，得到被測氣體的濃度。
上述方案中，步驟106中所述根據測得的時間間隔tn、t12以及敏感膜的寬度d，計算脈沖信號在有無被測氣體時在敏感膜中傳輸速度的變化量Av，采用的計算公式是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、本發明提供的這種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，主要的儀器僅需要信號發生器和示波器，方便簡單，適用于各種聲表面氣體傳感器，測量范圍大，可重復使用，簡化了測試步驟，降低了測試成本，實現了對氣體濃度的測試。 2、本發明提供的這種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，可以方便的對各種聲表面波氣體傳感器進行測試，具有所需設備少，簡單，穩定可靠，用途多，誤差小的優點。
圖1是本發明提供的利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法流程圖； 圖2至圖4是依照本發明實施例的利用聲表面波器件測試氣體濃度的工藝流程
圖； 圖5是依照本發明實施例在示波器中顯示換能器B與換能器C接收信號的時間間隔tn ; 圖6是依照本發明實施例在示波器中顯示換能器B與換能器C接收信號的時間間隔t12。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，圖1是本發明提供的利用聲表面波器件測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三個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 能夠吸附被測氣體； 步驟103 :將第一換能器連接于信號發生器，將第二換能器和第三換能器分別連 接于示波器的兩個通道，構成測試設備，并將測試設備放入試驗容器中； 步驟104 :在容器中無被測氣體時，信號發生器發射一脈沖信號，第一換能器將此 脈沖信號通過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的時間間隔tn ; 步驟105 :在容器中充入一定濃度的被測氣體時，信號發生器再發射一脈沖信號， 第一換能器將此脈沖信號通過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的時間間隔t22 ; 步驟106 :根據測得的時間間隔tn、t12以及敏感膜的寬度d，計算脈沖信號在有無 被測氣體時在敏感膜中傳輸速度的變化量Av ; 在本步驟中，計算脈沖信號在有無被測氣體時在敏感膜中傳輸速度的變化量Av， 采用的計算公式是Av = (d/tn-d/t22)。 步驟107 :重復執行步驟105和106，得到聲表面波速度變化與被測氣體濃度之間 的對應關系； 步驟108 :在檢測未知濃度的氣體時，首先測量并計算聲表面波速度的變化值，然 后根據步驟107得到的速度變化與被測氣體濃度的對應關系，得到被測氣體的濃度。
本發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 其上蒸鍍上三個互相平行的叉指換能器，分別稱為換能器A，換能器B和換能器C，如圖2所 示，換能器B和換能器C之間覆蓋一層長為d敏感膜，該敏感膜對氣體有吸附作用。再將信 號發生器接到換能器A，換能器B和換能器C分別接到示波器的兩個通道。如圖3所示。將 設備放入試驗容器中，容器中無敏感氣體，信號發生器發射一脈沖信號，換能器A將此信號 通過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 示波器中會出現兩個相隔一段時間tn的信號。充入一定濃度，設為&的氣體后，再進行測 量，得到兩個信號相隔的時間變為t^，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氣體的濃度是一一對應的， 所以將數據記錄下來，就得到聲表面波速度變化與被測氣體濃度之間的關系。
圖2至圖4示出了依照本發明實施例的利用聲表面波器件測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，在無敏感膜時聲表面波傳 播速度為3485m/s。襯底厚度約為0. 5mm，經過清洗，光刻，濺射等步驟在其上行成三個完全 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 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，同時將信號發生器接入換能器A，然后將設備放入密封的氣體容器中，如圖3所示。 步驟4、當容器中沒有被測氣體時，信號發生器發射一脈沖信號，激勵換能器A產生聲表面波；產生的聲表面波在壓電晶體上傳播，換能器B首先接收到傳來的聲表面波信號，并在示波器上顯示出來；經過一定的時間，換能器C再接收到傳來的聲表面波信號，并在示波器上顯示出來。由示波器可以讀出兩個換能器接收信號之間相隔的時間，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氣體，氣體濃度記為Q p同時信號發生器產生一脈沖信號，與權利4相同，從示波器中可以讀出兩個換能器接收信號之間的相隔時間，記為t『在示波器上得到如圖6所示的圖像。 步驟6、根據測量結果tn和t^，可以計算得到速度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氣體的濃度對應起來，然后不斷重復執行步驟4和5，得到聲表面波速度變化與被測氣體濃度之間的關系。 步驟7、在檢測未知濃度氣體時得到的聲表面波速度的變化值，根據得到的速度與被測氣體的濃度的關系，就可以得到被測氣體的濃度。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，其特征在于，該方法包括步驟101在壓電晶體襯底上蒸鍍三個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氣體；步驟103將第一換能器連接于信號發生器，將第二換能器和第三換能器分別連接于示波器的兩個通道，構成測試設備，并將測試設備放入試驗容器中；步驟104在容器中無被測氣體時，信號發生器發射一脈沖信號，第一換能器將此脈沖信號通過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的時間間隔t11；步驟105在容器中充入一定濃度的被測氣體時，信號發生器再發射一脈沖信號，第一換能器將此脈沖信號通過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的時間間隔t22；步驟106根據測得的時間間隔t11、t12以及敏感膜的寬度d，計算脈沖信號在有無被測氣體時在敏感膜中傳輸速度的變化量Δv；步驟107重復執行步驟105和106，得到聲表面波速度變化與被測氣體濃度之間的對應關系；步驟108在檢測未知濃度的氣體時，首先測量并計算聲表面波速度的變化值，然后根據步驟107得到的速度變化與被測氣體濃度的對應關系，得到被測氣體的濃度。
2. 根據權利要求1所述的利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，其特征在于，步驟 106中所述根據測得的時間間隔tn、 t12以及敏感膜的寬度d，計算脈沖信號在有無被測氣 體時在敏感膜中傳輸速度的變化量Av，采用的計算公式是AV= (d/tn-d/t22)。
3. 根據權利要求1所述的利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，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. 根據權利要求1所述的利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，其特征在于，步驟 102中所述敏感膜為金屬鈀膜。
全文摘要
本發明公開了一種利用聲表面波器件測試氣體濃度的方法，利用聲表面波氣體傳感器在吸附被測氣體前后，聲表面波在其上傳播速度的不同，來定量得到被測氣體的濃度。其主要步驟為使用信號發生器在雙端對聲表面波氣體傳感器一側發射一短脈沖信號，并用示波器的不同通道對聲表面波氣體傳感器兩端同時進行檢測，再根據檢測結果同被測氣體的濃度聯系起來，進行標定。利用這種方法可以方便的對各種聲表面波氣體傳感器進行測試。這種方法具有所需設備少，簡單，穩定可靠，用途多，誤差小的優點。
文檔編號G01N29/036GK101726539SQ20081022490
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月24日 優先權日2008年10月24日
發明者朱晨昕, 李昊峰, 李維龍, 賈銳, 陳晨 申請人:中國科學院微電子研究所