LT6457B - Acoustic moisture measurement method and humidity sensor - Google Patents

Abstract

The proposal is in the field of electronics, and specifically from the moisture measurement and detection techniques and implementing them device areas, and can be used in ambient humidity measurement and indication- detection, for example, vehicle cabins comfort, the industrial facilities and household ventilation automation field, in heat production, wood processing industry, food and biotechnology industries, medical monitoring of the patient's health, people exposed to high physical loads to determine the state of health, and so on. The proposed method measured surface acoustic wave (SAW) amplitude Uo, frequency f and phase ? for a versus time t affect the ambient humidity, and the way of marketing both sensor humidity sensing element is a porfirin film. Compared with the analogues, proposed method of measuring moisture and humidity sensor realizes it has a very short response time ?t ? 0.1 seconds, and has no hysteresis feedback signal, which leads to more accurate instant moisture values and their changes over time measurement.

Description

Pasiūlymas yra iš elektronikos srities, o būtent iš drėgmės matavimo bei detekcijos būdų ir juos realizuojančių įtaisų sričių, ir gali būti vartojami aplinkos drėgmės matavimui bei indikacijai - detekcijai, pavyzdžiui, automobilių salonuose komfortui užtikrinti, pramoninėse patalpose bei buityje ventiliacijos automatikos srityje, šilumos ūkyje, medienos apdirbimo pramonėje, maisto ir biotechnologijų pramonėje, medicinoje paciento sveikatos stebėjimui, žmonių patiriančių didelius fizinius krūvius sveikatos būklei nustatyti, ir 1.1.The offer comes from electronics, namely humidity measurement and detection techniques and devices implementing them, and can be used for ambient humidity measurement and indication - detection, for example in car showrooms for comfort, industrial and domestic ventilation automation, heat management, in the woodworking industry, in the food and biotechnology industry, in medical monitoring of the patient, in the assessment of the state of health of persons suffering from high physical activity, and 1.1.

Drėgmės matavimui bei detekcijai naudojami įvairūs būdai bei juos realizuojantys įtaisai, veikiantys fizikiniais reiškiniais, jautriais drėgmės momentiniai vertei ir jos kitimui laike. Drėgmės matavimo būdo analogas veikia paviršinio laidumo matavimo principu, kuriame puslaidininkinės plėvelės paviršiuje, jautriame drėgmės poveikiui, sudaro paviršinių kontaktų grandinę ir joje matuoja srovės stiprį, keisdami analoginę vertę j skaitmeninį kodą, o gautą skaitmeninę informaciją apdoroja mikrokontroleriu (patentas - US 2010/0175699 A1). Šiuo būdu veikiančių jutikliu trūkumas yra didelė atsako trukmė ir atsako signalo histerezė, bei jų konstrukcija yra sudėtinga.There are various methods used for measuring and detecting humidity, as well as devices implementing them, which are affected by physical phenomena sensitive to the instantaneous value of humidity and its variation in time. The humidity measurement analogue operates on the principle of surface-conductivity measurement, in which a semiconductor film forms a surface-sensitive circuit on a surface sensitive to moisture and measures current by converting the analog value to a digital code and processing the resulting digital information with a microcontroller. ). The disadvantages of sensors operating in this way are the high response time and response hysteresis, and their construction is complicated.

Drėgmės matavimo analogo būde jutiklis veikia paviršinio laidumo matavimo principu ir jis sudarytas iš inertinio substrato medžiagos sluoksnio, ant kurio pagrindinio paviršiaus padaryti elektrodai, sudarantys dvi poras darbo ir skaitiklio elektrodų, kurie turi atitinkamas matmenų proporcijas, o skaitiklio elektrodai sujungti su informacijos apdorojimo mikrokontroleriu (patentas - US 2010/0175699 A1).In the analogue method for measuring moisture, the sensor operates on the principle of surface conductivity measurement and consists of a layer of inert substrate material with electrodes consisting of two pairs of working and meter electrodes of appropriate dimensions and connected to a microcontroller for information processing. - US 2010/0175699 A1).

Kitas - artimiausias jutiklio analogas veikia paviršinių akustinių bangų (PAB) pagrindu ir jis sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio, pavyzdžiui, ZnO plono sluoksnio ant padėklo, pavyzdžiui, S13N4, o ant ZnO sluoksnio paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis ir detektuojantis metaliniai elektrodai, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų ant ZnO sluoksnio paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis - puslaidininkinis metalo oksidas, pavyzdžiui, alavo arba cinko oksidas, kurių masė priklauso nuo drėgmės koncentracijos ir yra matuojamas PAB dažnio pokytis (patentas - US 2010/0058857 A1). Tokių drėgmės jutikliu trūkumas yra didelė atsako trukmė ir atsako signalo histerezė.Next, the nearest sensor analog operates on surface acoustic wave (PAB) and consists of a PAB waveguide layer, such as a ZnO thin layer on a substrate, such as S13N4, and on the opposite edge of the ZnO layer, PAB excitation and detection metal electrodes are made In the form of a "comb" and between these electrodes, a moisture-sensitive layer, a semiconductor metal oxide such as tin or zinc oxide, is deposited on the surface of the ZnO layer, the mass of which depends on the moisture concentration and the PAB frequency change. The disadvantage of such humidity sensors is the high response time and response signal hysteresis.

Analogo trūkumams pašalinti drėgmės matavimo būde, kuriame jautrų drėgmei jutiklj patalpina matuojamoje aplinkoje ir skaitmenine matavimo įranga, sujungta su jutiklio kontaktų grandine, matuoja jutiklio elektrinio laidumo parametrus, kitaip sudaro matuojamuosius elektrinius parametrus, o būtent, jautrų drėgmei jutiklj patalpina ant PAB bangolaidžio sluoksnio - ličio niobato (LiNbOs), kurio paviršiuje sužadina PAB ir matuoja PAB sklidimo parametrų: dažnio ( f )-periodo(T), amplitudės (U_o) ir fazės (φ) pokyčių atitinkamai Δ/-ΔΤ, Δ(7₀ ir Δ^ kitimą laike, ir iš ΔΛΔΓ ir Δφ nustato drėgmės kitimo dažnį /įir, pavyzdžiui, žmogaus ar gyvūno kvėpavimo dažnį fkv, ir drėgmės stiprį - vandens garų kiekį - masę mH2o tūrio vienete Δ1Ζ, o iš U_o ir Δί/₀ nustato momentinę drėgmę ir jos kitimo stiprį, pavyzdžiui, kvėpavimo gylį įkvėpimo ir iškvėpimo metu.Analog deficiencies in the humidity measurement method, where the humidity sensitive sensor is placed in a measured environment and digital measuring equipment connected to the sensor contact circuit, measures the electrical conductivity of the sensor, otherwise forms the measured electrical parameter, namely, the LAB waveguide layer - lithium of Niobate (LiNbOs), the surface of which is excited by PAB and measures the variation of PAB propagation parameters: frequency (f) -period (T), amplitude (U _o ) and phase (φ), respectively Δ / -ΔΤ, Δ (7 ₀ and Δ ^) and ΔΛΔΓ and Δφ determine the rate of humidity variation / in and, for example, the respiratory rate fkv of a human or animal, and the moisture intensity - water vapor content - mass in mH2o by volume Δ1Ζ, and from U _o and Δί / ₀ change in strength, such as the depth of breath during inhalation and exhalation.

Analogo trūkumams pašalinti drėgmės matavimo jutiklyje, kuris sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio, kuris sumontuotas - užneštas ant izoliacinio padėklo, o ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis ir detektuojantis metaliniai elektrodai, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis, PAB žadinantis elektrodai sujungti su harmoninių virpesių generatoriumi, o detektuojantis elektrodai - su matavimo įranga, kuri turi sinchronizacijos ryšį su generatoriumi, kitaip padarytas drėgmei jautrus sluoksnis, o būtent iš porfirino plėvelės.To eliminate the drawbacks of the analogue, a humidity sensor consisting of a PAB waveguide layer mounted - applied to an insulating pad and on the opposite side of the waveguide layer surface has PAB excitation and detection metal electrodes in the form of a "comb" and between these electrodes on the waveguide layer a moisture-sensitive layer is placed on the surface, the PAB excitation electrodes are connected to a harmonic oscillator, and the detection electrodes are connected to a measuring device which has a synchronization connection with the generator, otherwise a moisture-sensitive layer is made, namely porphyrin film.

Fig. 1 parodyta drėgmės jutiklio konstrukcija - planarinis kontaktų išdėstymo vaizdas (a) ir pjūvio vaizdas (b). Fig. 2 parodyta drėgmei jautrus sluoksnio - porfirino fragmentas. Fig. 3 parodytas PAB signalo amplitudės U_o (f) ir fazės φ (f) atsakas laike t į staigų drėgmės pokytį. Fig. 4 parodytas kvėpavimo įtakotas PAB amplitudės kitimas laike t. Fig. 1 skaičiais pažymėta: 1 - PAB bangolaidžio sluoksnis - ličio niobatas (LiNbO₃); 2 - izoliacinis padėklas - S13N4; 3 - drėgmei jautrus sluoksnis porfirino plėvelė; 4 ir 5 - PAB žadinantis „šukų“ pavidalo metaliniai elektrodai; 6 ir 7 — PAB detektuojantis „šukų“ pavidalo metaliniai elektrodai; 8- harmoninių virpesių generatorius; 9 - PAB elektrinių parametrų matavimo įranga - grandinių analizatorius; 10- sinchronizacijos ryšio grandinė tarp matavimo įrangos 9 ir generatoriaus 8.FIG. Figure 1 shows the structure of the humidity sensor, a planar view of the contacts (a) and a sectional view (b). FIG. Figure 2 shows a moisture-sensitive layer - porphyrin fragment. FIG. 3 shows the response of the PAB signal amplitude U _o (f) and phase φ (f) at time t to the sudden change in humidity. FIG. Figure 4 shows the respiration-induced PAB amplitude change over time t. FIG. 1 is represented by numbers: 1 - PAB waveguide layer - lithium niobate (LiNbO ₃ ); 2 - insulating pad - S13N4; 3 - moisture sensitive layer porphyrin film; 4 and 5 - metal comb electrodes in the form of a "comb"; 6 and 7 - Metal comb electrodes in the form of a comb; 8- harmonic oscillator; 9 - PAB electrical parameter measuring equipment - circuit analyzer; 10- Synchronization communication circuit between measuring equipment 9 and generator 8.

Drėgmės jutiklis (Fig. 1) sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio 1, pavyzdžiui, ličio niobato (LiNbOs), kuris sumontuotas- užneštas ant izoliacinio padėklo 2, pavyzdžiui, S13N4. Ant bangolaidžio sluoksnio 1 paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis (4-5) ir detektuojantis (6-7) metaliniai elektrodai 43The humidity sensor (Fig. 1) consists of a PAB waveguide layer 1, such as lithium niobate (LiNbOs), which is mounted on an insulating substrate 2, such as S13N4. PAB excitation (4-5) and detection (6-7) metal electrodes on opposite surface of waveguide layer 1 43

7, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų 4-5 ir 6-7 ant bangolaidžio sluoksnio 1 paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis 3- porfirino plėvelė. PAB žadinantis elektrodai 4-5 sujungti su harmoninių virpesių generatoriumi 8, o detektuojantis elektrodai 6-7 - su matavimo įranga 9, pavyzdžiui, grandinių analizatoriumi, kuris turi sinchronizacijos ryši 10 su generatoriumi 9.7, which are made in the form of a "comb" and a moisture sensitive layer 3-porphyrin film is deposited on the surface of the waveguide layer 1 between these electrodes 4-5 and 6-7. The PAB excitation electrodes 4-5 are coupled to the harmonic oscillator 8 and the detector electrodes 6-7 to the measuring equipment 9, such as a circuit analyzer which has a synchronization connection 10 to the oscillator 9.

Drėgmės jutiklis (Fig. 1) veikia tokiu būdu.The humidity sensor (Fig. 1) operates in this way.

Įjungia grandinių analizatorių 9 ir generatorių 8. Grandinių analizatorius 9 per ryšio liniją 10 pasiunčia elektrinį paleidimo video impulsą ir generatorius 8 generuoja užduotos trukmės M radijo impulsą su pastovia užpildos virpesių amplitude U_o, dažniu f₀ ir pradine faze φ₀. Šie virpesiai iš generatoriaus 8 patenka į PAB žadinančius elektrodus 4-5 ir sužadinta PAB bangolaidžio sluoksniu 1 sklinda link detektuojančių elektrodų 6-7. Čia PAB pakeičiama į atitinkamus elektrinius virpesius, kurie patenka į grandinių analizatorių 9. Tarp elektrodų 4-5 ir 6-7 patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis 3- porfirino plėvelė savo savybėmis įtakoja sklindančios PAB elektrinius parametrus: U_o, f₀ ir <p₀, kurių vertės labai stipriai priklauso nuo aplinkos drėgmės - vandens garų kiekio - masės tūrio vienete. Ši porfirino plėvelės 3 savybė sąlygota dideliu sąveikos paviršiumi, kuris, savo ruožtu, sąlygotas dideliu paviršiaus porėtumu (Fig. 2). Fig. 3 parodytas PAB amplitudės U_Q(t) ir fazės <p(f) kitimas laike t, kai yra sukeliamas staigus drėgmės pokytis jutiklio aplinkoje. Iš Fig. 3 matome, kad jutiklio atsako trukmė Δί_Γ į staigų drėgmės pokytį aplinkoje yra apie 0,1 s. Fig. 4 parodyta kvėpavimo sukeltas PAB amplitudės U_o (f) kitimas laike t. Iš čia matome, kad iškvėpimo metu stebimas staigus PAB amplitudės U_o sumažėjimas. Todėl iš PAB amplitudės U_o kitimo laike U_Q (f) galima nustatyti kvėpavimo dažnį f_kv ir stiprumo pobūdį - gylį, t. y. kaip gyliai yra įkvepiama ir iškvepiama. Taigi, grandinių analizatoriumi 9 matuojant PAB parametrus: dažnio ( f)-periodo(T), amplitudės (U_o) ir fazės (φ) pokyčius laike t, atitinkamai Δ/-Δ7, AU₀ ir Δφ, iš gautų Δ/-ΔΓ ir Δφ verčių nustato drėgmės kitimo dažnį f_dr, pavyzdžiui, žmogaus ar gyvūno kvėpavimo dažnį f_kv s fdr, ir drėgmės stiprį - vandens garų kiekį - masę m_H20 tūrio vienete Δ\Ζ, iš U_o ir Δί/₀ nustato momentinę drėgmę ir jos kitimo stiprį, pavyzdžiui, kvėpavimo gylį - kaip gyliai yra įkvepiama ir iškvepiama.Turns on the circuit analyzer 9 and the generator 8. The circuit analyzer 9 transmits an electrical start-up video pulse via communication line 10 and the generator 8 generates a radio pulse of specified duration M with a constant charge oscillation amplitude U _o , frequency f ₀ and an initial phase φ ₀ . These oscillations from the generator 8 pass to the PAB excitation electrodes 4-5 and are excited by the PAB waveguide layer 1 towards the detection electrodes 6-7. Here, the PAB is replaced by the corresponding electrical oscillations, which pass into the circuit analyzer 9. The moisture-sensitive layer 3, between the electrodes 4-5 and 6-7, has properties that influence the electrical parameters of the propagating PAB: U _o , f ₀ and <p ₀ , the values of which depend very strongly on the humidity of the environment - the amount of water vapor - per unit volume. This property of porphyrin film 3 is due to the large interaction surface, which in turn is due to the high porosity of the surface (Fig. 2). FIG. Figure 3 shows the variation of PAB amplitude U _Q (t) and phase <p (f) at time t when a sudden change in humidity is induced in the sensor environment. From FIG. 3, the response time Δί _Γ of the sensor to the sudden change in humidity in the environment is about 0.1 s. FIG. 4 shows the respiration-induced change in PAB amplitude U _o (f) over time t. From here we can see that during the exhalation a sharp decrease in the amplitude U _{o of} PAB is observed. Therefore, from the PAB amplitude U _{o the} time of change U _Q (f) it is possible to determine the respiratory rate f _kv and the nature of the strength - depth, ie how the depths are inhaled and exhaled. Thus, the circuit analyzer 9 measures the PAB parameters: frequency (f) -period (T), amplitude (U _o ) and phase (φ) at time t, Δ / -Δ7, AU _0, and Δφ, respectively, from the Δ / -ΔΓ obtained. and Δφ determine the rate of humidity variation f _d r, such as the respiratory rate f _kv s fdr of a human or animal, and the moisture intensity - water vapor content - mass m _H 20 by volume Δ \ Ζ, from U _o and Δί / ₀ moisture and its variability, such as the depth of breath - how the depths are inhaled and exhaled.

Palyginus su analogais pasiūlytas drėgmės matavimo būdas ir jį realizuojantis drėgmės jutiklis pasižymi labai trumpa atsako trukmė Δί < 0,1 s, ir atsako signalas neturi histerezės, o tai sąlygoja tikslesnius drėgmės momentinių verčių ir jų pokyčių laike matavimus.Compared to its analogues, the proposed humidity measurement method and its implementing humidity sensor have a very short response time Δί <0.1 s, and the response signal has no hysteresis, which results in more accurate measurements of the instantaneous humidity values and their changes over time.

Claims (2)

IŠRADIMO APIBRĖŽTISDEFINITION OF INVENTION 1. Akustinis drėgmės matavimo būdas, kuriame jautrų drėgmei jutiklj patalpina matuojamoje aplinkoje ir skaitmenine matavimo įranga, sujungta su jutiklio kontaktų grandine, matuoja jutiklio elektrinio laidumo parametrus, besiskiriant i s tuo, kad jautrų drėgmei jutiklį patalpina ant PAB bangolaidžio sluoksnio - ličio niobato (LiNbOa), kurio paviršiuje sužadina PAB ir matuoja PAB sklidimo parametrų: dažnio ( f )-periodo(T), amplitudės (U_o) ir fazės (φ) pokyčių, atitinkamai Δ/-ΔΤ, Δ(7₀ ir Δφ kitimą laike t, ir iš Δ/-ΔΓ ir Δφ nustato drėgmės kitimo dažnį f_dr, pavyzdžiui, žmogaus ar gyvūno kvėpavimo dažnį /kv = f&, ir drėgmės stiprį - vandens garų kiekį masę m_H2o tūrio vienete AV, o iš U_o ir Δί/₀ nustato momentinę drėgmę ir jos kitimo stiprį, pavyzdžiui, kvėpavimo gylį įkvėpimo ir iškvėpimo metu.1. An acoustic humidity measurement method, which incorporates a humidity sensitive sensor in a measured environment and a digital measuring device connected to a sensor contact circuit, to measure the electrical conductivity of a sensor, including placing a humidity sensitive sensor on a PAB waveguide layer - lithium niobate (LiNbOa) whose surface excites PAB and measures PAB propagation parameters: frequency (f) -period (T), amplitude (U _o ) and phase (φ), respectively, Δ / -ΔΤ, Δ (7 ₀ and Δφ) at time t, and from Δ / -ΔΓ and Δφ determine the frequency of humidity variation f _d r, for example the respiratory rate of a human or animal / kv = f &, and the moisture intensity the mass of water vapor in m _H 2o volume AV, and from U _o and Δί / ₀ measures instantaneous humidity and its variability, such as the depth of breath during inhalation and exhalation. 2. Akustinis drėgmės matavimo jutiklis, kuris sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio, kuris sumontuotas - užneštas ant izoliacinio padėklo, o ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis ir detektuojantis metaliniai elektrodai, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis, PAB žadinantis elektrodai sujungti su harmoninių virpesių generatoriumi, o detektuojantis elektrodai - su matavimo įranga, kuri turi sinchronizacijos ryši su generatoriumi, b e siskiriantis tuo, kad drėgmei jautrus sluoksnis padarytas iš porfirino plėvelės.2. An acoustic humidity sensor consisting of a PAB waveguide layer mounted on an insulating substrate, and the waveguide layer at its opposite edges formed by a PAB excitation and detection metal electrode in the form of a "comb" and between these electrodes on the waveguide layer a moisture-sensitive layer is placed on the surface, the PAB excitation electrodes are connected to a harmonic oscillator, and the detection electrodes are connected to a measuring device which has a synchronization relationship with the generator, apart from the fact that the moisture sensitive layer is made of porphyrin film.