英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
牢固安装谐振器的粒子传感器
Sanju Thomas，电子与电气工程师协会成员
Farah H. Villa-Loacute;pez，电子与电气工程师协会成员
Jan Theunis, Jan Peters,Marina Cole,，电子与电气工程师协会成员
和Julian W. Gardner 电子与电气工程师协会高级成员
摘要：本文介绍了一种新型基于氧化锌的粒子传感系统，安装有谐振器（SMR）的空气检测装置（即，可入肺颗粒物和PM10）的发展。系统操作双配置，两SMR设备驱动以Colpitts型振荡器工作在差分模式。粒子的检测是由粒子质量引起频率变化进而检测在一个谐振器上，而其他作为一个参考渠道。在一个室内标准环境下使用一个尘埃发生器对已知尺寸和浓度的颗粒进行了系统的实验验证，传感器灵敏度4.6Hz每micro;g/m3被证明是SMR共鸣在970MHz的频率。我们的研究结果表明，SMR系统在CMOS技术作为一种低成本、小型化的智能粒子探测器机载粒子的实时监测上有很大的潜力。
关键字：声波传感器，空气质量监测，Colpitts振荡器，粒子传感器、颗粒物、牢固安装谐振器（SMR）
2015年7月22日收到原稿; 2015年10月3日修订; 2015年12月20日公开。2015年12月24日出版；当前版本的日期是2016年2月24日。这项工作获得欧洲委员会第七框架计划的支持，通过项目题为多用传感器—平台，为611887工程智能建筑管理。F. H. Villa-Loacute;pez工作由国家墨西哥委员会科学和技术支持。副主编协调审查，Dr. Sillas Hadjiloucas批准出版。
S. Thomas, F. H. Villa-Loacute;pez, M. Cole和 J. W. Gardner在英国考文垂CV4 7AL华威大学工程学院微型传感器和生物电子学实验室。(邮箱:sanju.thomas@warwick.ac.uk; f.h.villa-lopez@warwick.ac.uk; m.cole@warwick.ac.uk; j.w.gardner@warwick.ac.uk)
J. Theunis和 J. Peters在比利时Mol B-2400佛兰德科技研究所。(邮箱: jan.theunis@vito.be;jan.peters@vito.be)。
数字对象标识符 10.1109/JSEN.2015.2512303
1558 - 1748年 电子和电气工程师协会copy;2015。允许个人使用,但是再版/再分配需要IEEE许可。有关更多信息,请参见http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html
一、引言
空气中的颗粒物（PM10和可入肺颗粒物）组成一种化学物质，可以发现混合在空气中形式很小的颗粒。PM10指对于那些具有空气动力直径相等的颗粒或小于10mu;M的，而可入肺颗粒物是颗粒直径为2.5mu;m或更小。颗粒物（PM）会影响人体健康及引发不良反应，增加发病率和死亡率 [ 1 ]。像心脏停止和肺容量减少等心血管疾病和呼吸问题，已被查证到与空气中的微粒污染相关[ 2 ]。由于PM导致的其他问题已被报道，如糖尿病，动脉粥样硬化及其对分娩的影响[ 3 ]-[ 5 ]。
为了减少人体接触点，最小化他们的负面健康影响,美国环境保护署(EPA)和欧盟委员会(EC)发布了规定的阈值和目标值，是在保持他们安全的接触范围内定义的。应用商用仪器检测可吸入颗粒物的难题，通常是规模大,昂贵和经营困难[6]。这些工具都是基于一些方法和技术，举一个例子, 在英国使用的监控网络基于过滤器的重量取样器如PartisolTM取样器(热科学)。他们设计一个空气样品通过一个过滤器捕获特定粒子,它需求衡量之后的实验室[7]。其他自动化质量测量仪器的连续监测点也可以,如锥形元素振荡微量天平(TEOMTM)和beta;指标。光学方法主要是基于光的吸收和散射，通常用于粒子检测、计算和尺寸测量。上面这些类型的例子有Thermo ScientificTM5030敏捷的监视和GRIMM1.107监控(格林Technologies,Inc .)。目前市场上个人的抽样仪器有DataRAMTM pdr - 1500(热科学)。然而，光学技术是复杂且昂贵的,因为他们需要集成几个光学组件[9]。
由于这些原因,低成本、实时和便携式粒子传感设备的需求增加，并且最近有很多不同的方法被提议，Lim et al。[10]有报道称，MEMS粒子探测器基于电晕放电原理,而Jaramillo等人提出的MEMS静电计采用的是气溶胶粒子的计算[11]，Park et al。[12] Harrington et al 提出开发一种采用桨式硅悬臂的粒子传感器应用在硅薄膜压电谐振器上。 [13]热驱动MEMS谐振器被证明可用于测量空气粒子的质量[9],[14],并且提议在气溶胶来源多样的大小颗粒的分离中使用这种结构 [15],[16]。协作研究所之间的半导体技术(《国际先驱论坛报》)硅谐振Fraunhofer-Wilhelm-Klauditz-Institut促进发展了悬臂梁传感器的检测机载纳米颗粒[17]、[18]并且进一步的工作报告记述了便携式cantilever-based探测器的发展历程[19]-[21]
基于声波的设备也被作为一种替代方法用于粒子传感。当施加一个电场时，这些使用压电材料的设备产生一个机械波。由于粒子沉积在感应区域导致设备的共振频率的变化使质量加载到谐振器。石英晶体微天平(QCMS)曾经用在梁等人提出的系统中。用于测量粒子质量、浓度和粒度分布[22]和基于声表面波谐振器(SAWR)的传感器证明了对微粒的检测，Thomas et al .[23]。典型对QCMS的操作频率在5 - 30 MHz范围内[24]，而SAW设备的共振频率在30 MHz至1 GHz之间[25].
薄膜体声波设备(TFBAW)利用薄膜技术在更高的共振频率下运转,因此与其它设备相比，具有更高的敏感性的设备已经被完成。TFBAW设备由在两个电极和载体衬底之间制作的薄压电夹层构成,典型的硅。TFBAW设备的足迹相比于SAW和QCM设备要小得多。不像SAW设备,TFBAWs与低成本的硅技术兼容使它们适用于单片集成电路。
在TFBAW中，为了限制波能量并且防止波耗散到衬底，声从基质隔离一定要提供给谐振器结构。根据这个方式实现,可以区分两种不同类型的TFBAW设备即薄膜体声波谐振器 (FBAR)和牢固安装谐振器(SMR)。
FBAR器件作为质量敏感元件的使用，是由加州福尼亚州的伯克利大学的研究人员提出的便携式颗粒物监测仪发展而来的 [6],[26]。
在这项工作中,我们提出低成本的发展,高度敏感的粒子传感单元采用氧化锌，基于牢固安装谐振器工作于双重配置并且由Colpitts型振荡器驱动。
二.系统的描述
a、总体概述
粒子传感器系统发展的总体结构如图1所示。系统运行以双模式配置来抑制共模干扰[27],比如温度、湿度或压力的影响。SMR设备由Colpitts驱动式振荡器驱动，产生共振在大约在970 MHz，一个设备作为参考通道，第二个是作为传感设备。振荡器的输出信号是发送到一个接口板，包括一个射频混合器、低通滤波器和一个比较器。振荡器的高频信号被混合并且过滤获得较低的微分频率输出,更容易以高分辨率测量。
图1、基于牢固安装谐振器系统开发的差模粒子传感的整体结构
微分信号传输到单片机，对频率的测量和电脑数据的同步，通过USB串行通信使用国家仪器虚拟仪器。组合的粒子传感单元如图2所示，总共包含四个SMRs只使用一个设备连接。SMRs引线键和在一个LCC包上和振荡器连接板的界面。SMR的表面被3-D打印帽覆盖。打印帽由一个完全覆盖在传感器表面的薄芯片(0.15毫米厚)构成，防止颗粒物掉落在传感器上表面，但是同样允许SMR暴露在周围环境中，也就是温度和湿度。用这种方法利用双传感器配置抑制这些共模干扰。为了保护电子电路粒子传感单元是封闭的,整体尺寸是49毫米times;44毫米。
图2、发达的粒子传感器的照片使用SMRs，
工作在一个双重配置下。外形尺寸是49毫米times;44毫米。
b .牢固安装谐振器结构
氧化锌的基础牢固安装谐振器作为传感元件来发展粒子探测器。SMRs的示意图如图3(a) 所示。SMRs是剑桥大学在Ptype Si(100)衬底上制造的,由一个2.96mu;m薄的氧化锌夹在200nm厚的铝电极之间和由三层交替的1.82mu;m的锰和1.65mu;m的二氧化硅沉积成的一个声波镜像。面向c-axis氧化锌层是反动地气急败坏的说4英寸锌目标Ar / O2混合使用高目标利用率溅射(HiTUS)系统[28],获得sim;20 nm /分钟的沉积速率。
SMRs的制造使用4掩模光刻过程，获得声镜的图案结构，底部电极,顶部电极和通过压电体的渠道。设备所能传感的区域决定于当一个单个设备面积为1mm,底部和顶部电极分别占200um和200um。SMRs的共振频率在sim;970 MHz。这些设备的细节设计、造型和制造在其他地方也有报道[29]。
一个电信号施加在电极之间，同时电极之间产生一个机械波传沿着大部分压电材料传播。在共振频率下，沉积在感应SMR产品活性区域的粒子产生一个移动，这是需要测量的。
这些SMRs设计运转在纵模条件下,它的特点是粒子的位移波的传播方向相同。在两个电极之间施加一个交变电场，薄膜谐振器的压电材料层产生一个纵向变形。变形后,声波通过大量的材料传播到晶体和粒子，位移都是相同的方向,正常的传到到传感器表面。纵向模式SMRs先后采用这项工程用于纳米颗粒的检测，同时它能够为空气或气体中的传感结果提供保证 [30],[31]。当波长是衬底厚度的奇数倍时，在入射波和反射波之产生一个相长干涉，在传感器的界面产生一个驻波。因此创建一个驻波传感器边界示意图所示图3(b)所示。
c .振荡电路和接口板
声波干扰的减少是由于粒子的沉积，也就是大部分波衰减和速度的变化;然而,这些变化的实时检测需要复杂和庞大的电路，不适合集成系统。我们可以再简单的振荡器电路里使用SMR传感器作为感应要素，用高测量精度[32]间接监控声速变化。双SMR谐振器，都是工作在sim;970 MHz的频率范围，利用Colpitts振荡器基极接地的结构，获得良好的频率稳定度和灵敏度。。SMR的输入端口和晶体管的基极和输出端口到地面是交流耦合的。
Colpitts振荡器被选中,是因为它通过输出端接地，允许SMR运转在1端口配置下，与需要2端口配置的皮尔斯振荡器相反[33]。与其他类型振荡器电路相比，这些振荡器在频率为500 MHz以上提供良好的稳定性,低次谐波,组件数量较低，具有较低的成本[34]。图4显示了一个我们振荡器电路的示意图。商用硅NPN型射频晶体管BFR92P用来提供获得有源振荡器部分, 相比一个运放，极大的大减少寄生参数的影响,使电路工作在高频下。谐振器表现的像一个在SMR装置中串联和并联谐振区域之间的电感器。射频(RF)晶体管以及反馈电容器C4提供了获得补偿谐振器的电阻损失[34]。
图4、Colpitts型振荡器电路为驱动SMR设备设计的示意图
电路的振荡,当SMR连接在射频晶体管基极和地面，巴克豪森准则要求是符合的。通过SMR创建初始启动振荡频率,提供了LC振荡回路和晶体管基极接地的条件,这是几兆赫以上稳态频率。在SMR的共振频率下，LC振荡器的噪声和宽带噪声能量会存储在设备中[35]。以下两个条件包括整个循环[36]的统一总环路增益级和0°相移，当一个固定的电波发生在谐振器内部，以上将会被实现。随着SMR能量的增大，更多电流流经设备,从而导致SMR的振荡频率的共振频率移位。Colpitts的输出频谱是基于SMR振荡器的，由一个射频示波器(美国泰克MDO3012混合域示波器)显示谐振频率为933 MHz，如图5所示。
图5、SMR-Colpitts振荡器的频谱展示了谐振频率为933 MHz
当粒子堆积在传感器表面, 由于体波衰减和速度的变化，反馈回路的总相位会有一定量转移。结果,巴克豪森准则满足较低频率的共振,因此SMR从最初的共振频率改变到较低的共振频率,导致频率的变化。为了测量频移归因于粒子沉积在SMR感应设备，设计一个接口板，接口板由一个双平衡射频信号混合机(赫人微波公司)、一个射频低通滤波器(Mini-circuitsreg;)、一个比较器(模拟设备) 和双线性电压调整器(Micrelreg;)组成。振荡器的接口板连接到表面接口板,由2.5 V低压差稳压器输出电压。参考和测量的传感振荡器频率混合使用外差法降频转换技术并且低通滤波器只输出差频。通过这种方式,混合电路有助于减少共模变化和输出频率信号变化的影响。比较器将差频率输出转换成数字信号，利用电压电平兼容和单片机数字输入管脚的电压差(3.3 V),以频率计数。接口板是由单片机的5 V电源驱动,进而通过USB连接到电脑。
一种低成本的很小的微控制器3.1用于完成输出信号的频率计数并且通过USB串行通讯来向计算机记录数据。这些数据的记录使用虚拟仪器开发的LabVIEW软件，软件同时允许实现数据可视化。
三、实验装置
发达粒子传感器的特性描述是基于牢固安装谐振器发生在一个密封
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[146809]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
