автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Интегральные встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн для газовых датчиков

БЕЛОРУССКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.37/39:534 ^ р ~

ГЧ

г г ш

КОМАРОВ СЕРГЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

Интегральные встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн для газовых датчиков

Специальное гь 05.27.05 „Интегральные радиоэлектронные устройства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники.

Официальные онпоненш:

доктор технических наук Белоус А.И.;

кандидат технических наук Хараневич В.В.

Оппонирующая организация:

ГП НИК цифрового телевидения ПО .Горизонт"

Защита состоится 21 декабря 2000 г. в 14°° на заседании совета но защите диссертаций Д 02.15.03 в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (220027, г. Минск, ул. П.Бровки, 6, ауд 232,1 уч. корп., т. 239 - 89 - 89).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан ^ ноября 2000 г.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций, д-ф.-м.н., проф.

Абрамов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последнее время разрабатывается всё больше устройств, основанных на принципе возбуждения, распространения и детектирования поверхностных акустических волн. Эта новая область физики твёрдого тела получила столь широкое и интенсивное развитие, что сегодня будущее определённых отраслей современной информационной техники уже немыслимо без устройств на ПАВ.

Благодаря низкой скорости распространения ПАВ может быть реализовано большое число сложных функций формирования и обработки сигналов, которые с помощью иных физических принципов либо вообще нереализуемы, либо реализуемы ограниченно и с большими сложностями. Устройствами на ПАВ, осуществляющими вышеуказанные функций, являются различные линии задержки (ЛЗ), резонаторы, дисперсивные и фазокодированные согласованные фильтры, корреляторы, конвольверы, фазосдвигатели, затухающие звенья, полосовые фильтры, световые дефлекторы и модуляторы и многие другие, которые получили широкое распространение на практике. Небольшие размеры и масса, высокая надёжность, реализация с помощью современных и высокопродуктивных технологий микроэлектроники, а также повышенная механическая стабильность и устойчивость к влияниям вибраций и ударов являются основными достоинствами этих устройств.

Особенно значительных успехов достигла техника ПАВ при формировании стабильных высокочастотных электрических колебаний. Здесь на первом месте стоят корреляционные устройства на ПАВ, использующие для формирования сжатых во времени колебаний свойства автокорреляционной функции фазокодоманипулированных (ФКМ) колебаний. Но, например, для применения в системах с перемножением кодов в распоряжении имеется недостаточное число различных кодов, так называемых двоичных последовательностей максимальной длины с периодом р = 2Ш -1 и очень хорошими свойствами автокорреляционной функции (АКФ), которые формируются в технике передачи сообщений на выходе сдвигового генератора. В технике ПАВ фазоманипулирован-ные сигналы формируются методом изменения подключения пар штырей во встречно-штыревом преобразователе. Это дает возможность формировать сигналы, отличные от максимальных последовательностей, которые имеют также хорошие свойства АКФ.

Особенность техники ПАВ состоит в том, что для неё оптимальна „неполная корреляция" на приемном преобразователе, при которой кор-релируются только позиции, перекрывающиеся в данный момент, без

циклического дополнения последовательности. При использовании последовательностей максимальной длины возрастают значения побочных пиков автокорреляционной функции и соотношение основного и боковых лепестков (СОБЛ) уменьшается. Для применения ФКМ-сигналов в технике ПАВ, особенно б импульсных генераторах с корреляционными структурами, важно достигнуть максимально возможного СОБЛ.

В последнее время были проведены исследования, направленные на широкое использование корреляционных устройств на ПАВ в технике датчиков для измерения различных величин (газовой концентрации, температуры, давления, влажности, растяжений и др.). Одной из проблем, с которой столкнулись разработчики, явилось малое СОБЛ и, как следствие, сложное детектирование полезного сигнала из шумов.

Таким образом, эффективное использование корреляционных устройств на ПАВ зависит, в частности, от применяемых ФКМ-сигналов и по возможности большего их разнообразия для конкретной длины кода.

Связь работь; с крупными научными программами, темами.

Результаты, полученные в диссертационной работе, связаны с выполнением в 1994—96 г.г. научно-исследовательских работ в рамках проекта, финансируемого Федеральным министерством образования, науки, исследований и технологии Федеративной Республики Германии на кафедре физики факультета машиностроения / техники методов Высшей школы техники и экономики г. Дрездена (Германия).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка новой методики оптимизации конструкции встречно-штыревых преобразователей ПАВ для интегральных датчиков концентрации диоксида азота на основе адсорбирующего слоя - фталоциа-нина меди.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• проанализировать возможность использования принципов биологической эволюции для оптимизации технических систем и корреляционных устройств на ПАВ;

• разработать метод и алгоритм поиска кодовых последовательностей с применением стратегии оптимизации по принципам биологической эволюции и осуществить его программную реализацию;

• разработать корреляционные устройства на ПАВ и генераторы на их основе;

• разработать конструкцию и изготовить интегральный датчик;

• исследовать влияние условий эксплуатации на свойства интегральных датчиков концентрации диоксида азота.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования диссертационной работы являются корреляционные устройства на ПАВ и адсорбирующий слой - фталоцианин меди ПАВ-датчика концентрации газов. Предмет исследования - закономерности изменения чувствительности интегральных ПАВ-датчиков концентрации диоксида азота.

Методология и методы проведённого исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы и результаты прикладной теории кодирования, теории электромагнитного поля, теории колебаний, методы математического и программного моделирования, а также методы определения концентрации заданного газа в газовой смеси.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

• впервые разработана модель поиска двоичных последовательностей для корреляционных устройств на ПАВ на основе стратегии оптимизации по принципам биологической эволюции и установлена возможность снижения времени поиска кодовых слов по сравнению с методом последовательного перебора в 2-3 раза;

• разработаны принципы построения интегральных датчиков концентрации диоксида азота с повышенной чувствительностью за счёт изменения конструкции корреляционных устройств на ПАВ в условиях максимального отношения основного и побочных пиков автокорреляционной функции;

• теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены зависимости чувствительности адсорбирующего слоя (на примере фталоцианина меди) в условиях различной концентрации диоксида азота. Установлено увеличение диапазона измеряемых концентраций от 0.02 до 5 %о (от 20 до 5000 ррт), рабочих температур до 120°С, точности определения концентрации до 0.001 %> (до 1 ррт).

Практическая значимость полученных результатов.

• разработан алгоритм поиска двоичных последовательностей для оптимизации корреляционных устройств на ПАВ и осуществлена его программная реализация;

• разработана технология изготовления интегральных датчиков концентрации диоксида азота с использованием в качестве реагирующего слоя фталоцианина меди, располагаемого на подложках из кварца и

ниобата лития (LiNb03) между преобразователями с корреляционной структурой.

Результаты диссертационной работы внедрены б учебном процессе Высшего колледжа связи (г. Минск) (внедрение в рамках дисциплины „Теория электрической связи"); в опытно-конструкторских разработках, выполняемых НП ЗАО „Лилитгрэйс" (г. Минск); используются б Высшей школе техники и экономики г. Дрездена (Германия); в Институте твёрдого тела Технического университета г. Ильменау (Германия) (в рамках научного проекта „Дистанционно-управляемый датчик на ПАВ для измерения температуры и давления").

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

• Использование модифицированной конструкции корреляционных устройств на ПАВ позволяет усовершенствовать принципы построения интегральных датчиков концентрации диоксида азота /14, 26,27/.

• Поиск двоичных последовательностей для оптимизации конструкции корреляционных устройств на ПАВ позволяет снизить время поиска кодовых слов по сравнению с методом последовательного перебора в 2-3 раза /'14,26,60,85/__

• Формирование адсорбирующего слоя фталоцианина меди между корреляционными преобразователями на пьезоэлектрических подложках позволяет создать датчики концентрации диоксида азота с чувствительностью до 10' %> в диапазоне определяемой концентрации 0.02 - 5 %о с термоустойчивостью до 120 °С /57-59, 86/.

Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Вклад соавторов публикаций связан с постановкой задач и целей исследования, обсуждением разработанных методов и результатов моделирования.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 21 - 24-м Ежегодных заседаниях Немецкого акустического общества (Saarbrücken, 1995; Bonn, 1996; Kiel, 1997; Zürich, 1998); 40-и и 43-м Международных научных коллоквиумах Технического университета г. Ильменау (Ilmenau, 1995; 1998); IEEE Ultrasonics Symposium (Toronto, Canada, 1997).

Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 9 статей в журналах и сборниках трудов научно-технических конференций и тезисы одного доклада. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 35.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырёх глав, выводов, списка ис-

пользованных источников из 94 наименований и приложения. Объём диссертационной работы составляет 126 страниц машинописного текста, включая 34 страницы с 70 рисунками, 4 страницы с 7 таблицами и 4 страницы приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведён анализ современных методов и средств построения устройств на поверхностных акустических волнах и их применение в системах контроля различных сред. Рассмотрены современные конструкторско-технологические методы построения корреляционных устройств на ПАВ и определены основные проблемы, сдерживающие их использование в датчиках контроля различных сред. Выявлены ограничения возможностей использования „кодов максимальной длины" в качестве весовой функции ВШИ ПАВ. Показано, что современные конструкции встречно-штыревых преобразователей нуждаются в постоянной доработке и оптимизации с учётом предъявляемых в каждой конкретной области применения специфических требований. Рассмотрены конструкции корреляционных устройств на ПАВ и их применение в технике обработки сигналов. Отмечены недостатки существующих методов поиска кодовых последовательностей для использования их в технике ПАВ: большая временная, и вычислительная сложность применяемых методов; малое соотношение основного и боковых лепестков автокорреляционной функции используемых последовательностей и, как следствие, сложность детектирования полезного сигнала из шумов; малое число различных последовательностей определённой кодовой длины. Показана необходимость разработки оригинальной методики поиска оптимальных структур для корреляционных устройств на ПАВ, ориентированной на более эффективное использование применяемых кодовых последовательностей.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма поиска двоичных последовательностей для корреляционных устройств на ПАВ. Проведено сравнение особешюстей приема ФКМ-сигналоЕ в технике передачи сообщений с использованием сдвиговых генераторов („полная корреляция", с циклическим дополнением коррелируемой последовательности) и в технике ПАВ („неполная корреляция", без циклического дополнения последовательности). Показано, что для использования ФКМ-сигналов в технике ПАВ важно достичь максимального соотношения основного и боковых лепестков автокорреляционной функции (СОБЛ АКФ).

В диссертационной работе для поиска новых кодовых последовательностей с максимальным СОБЛ при „неполной корреляции" предло-

жеко применение принципов биологической эволюции для оптимизации технических систем.

Исходными положениями при подражании процессу биологической эволюции является то, что

„биологическая эволюция представляет собой оптимальную стратегию для согласования живых существ с их окружением".

При этом предполагается, что

„принципы биологической эеолюции могут быть применены также для оптимизации технических систем".

Разделяют „упрощенное техническое подражание" и „более высокие ступени подражания" биологической эволюции.

Таким образом, биологическая эволюция может быть рассмотрена с максимальной абстракцией как двухступенчатый процесс взаимодействия:

• формирование случайных вариаций (мутация);

• отброс неперспективных вариантов (селекция).

Вводятся следующие сравнения между биологической и технической системами:

1. Сравнение совокупности наследственных механизмов живого существа (генотип) с приложениями конструкций для технического прообраза.

2. Сравнение наглядной картины формирования живого существа (фенотип) с промышленно изготовляемым объектом.

3. Сравнение витальности живого существа в определенной окружающей среде с качеством технического объекта при заданных граничных условиях.

Принцип упрощенного технического подражания состоит в том, что при постоянном числе генотипов (минимально один генотип) координаты генотипа („состояния переключения генов") изменяются случайно (мутация), свойства реализуемых при этом фенотипов сравниваются и дополняют группу. Генотип с наихудшими свойствами отбрасывается (селекция).

При высоких ступенях подражания исходят из того, что осуществляется более быстрое приспособление к окружающей среде, если между носителями наследственной информации одной популяции могут быть заменены наследственные механизмы. При этом инженерно-технически

(

обозначаются и технически образовываются следующие эволюционные механизмы:

• кроссинговер хромосом;

• инверсия хромосом;

• доминантное наследование;

• рецессивное наследование.

Если генотип содержит переменные X;, ¡=1,2....,п, тогда функция качества Р(Х}) характеризует жизнеспособность генотипа или качество технического прообраза. Прообраз этой функции качества образует точку, популяцию множества точек в п -мерном пространстве. Точка или множество точек характеризуют состояние развития индивидуума или популяции. При прогрессирующей эволюции с элементами мутации и селекции этот прообраз достигает экстремальной величины, которая соответствует оптимальному приспособлению живого организма к окружению.

Во время селекции, благодаря отбросу точек с наихудшими значениями качества следует и достигается растущее улучшение качества, при этом возникают большие возможности мутации. Для каждой формы мутации существуют изменённые функции качества С>Ь

• мутация генов - случайные изменения одного генотипа

д(х!...х;...хп)

и ; •

<2а(х:..,х;...х„)

• инверсия (мутация хромосом) - случайный переброс частей последовательности Х} одного генотипа

(2(х1...Х|_],Х1,Х;+1...Х1с,Хк+1...Хп )

и ;

0ЛХ1 —хИ>хк+1 >хк—хн1>хг--хп)

• рекомбинация - случайная смесь двух генотипов

(51(х1...хы,х,...хк,х1с.|.1...хп)

<}2(У1-У-,-1>У>-У)с>Ук+1-Уп)

и .

<3К1(х1...хы,у;...ук,х(:+1...хп)

«Зкг^-УьЛ-Хк.Ум-Уи)

При применении принципов биологической эволюции для оптимизации технических систем Рэхенбергом были достигнуты заметные улучшения кривизны труб и разработана двухфазная сверхзвуковая турбина, которая подтвердила успешность этой стратегии оптимизации. Хорошие результаты дает также применение принципов биологической эволюции при разработке элементов на ПАВ. Дёринг успешно применил эти принципы для проектирования телевизионного фильтра на срезе 38° LiNbOj. Это хороший пример использования указанной стратегии оптимизации в частотном диапазоне. В диссертационной работе показана методика применения принципов биологической эволюции для оптимизации кодированных сигналов во временной области.

Применение стратегии оптимизации возможно тогда, когда используются следующие аналогии:

• генотип: варианты последовательности со случайно различными позициями нулей и единиц;

« фенотип: кодовые последовательности, соответствующие генотипу;

• окружающая среда: автокорреляционная функция р(т);

• вкталитет: величины СОБЛ или сравнения с должной величиной (степень оптимизации).

Чтобы возможно было моделировать эволюционный процесс пошаговой оптимизации поведения при отборе, необходимы следующие предпосылки и частичные шаги (рис. 1):

• моделирование должно позволять осуществить „рождение" одного или многих генотипов, то есть вариантов, содержащих значения элементов системы, случайно выбранных из двоично-распределенной основной совокупности;

• в зависимости от выбора специальной стратегии эволюции случайные величины элементов системы могут быть найдены также благодаря подражанию кроссинговера или инверсии и т.д.;

• моделирование должно подтверждать, что виталитет, т. е. качество случайных вариантов может быть однозначно установлено. Это осуществляется в полной мере благодаря сравнению с целевой функцией;

• должны быть отброшены в процессе правильной селекции в ходе моделирования варианты, которые имеют наихудшие параметры качества (большое отличие от целевой функции).

При поиске кодовых последовательностей с максимальным СОБЛ в работе в качестве критериев поиска за основу берутся свойства из теории последовательностей максимальной длины, хотя хорошие корреляционные свойства для них могут быть достигнуты только при полной корреляции:

1.В каждой последовательности число нулей отличается от числа единиц на единицу.

2. Для длины „рана" („ран" - друг за другом следующие одинаковые двоичные элементы, например, 00 или 11 есть „ран" длины 2) справедливо: 1 / 22 всех „ранов" имеют длину г.

Для техники ПАВ первый критерий изменяется путём расширения границы допусков при различии числа нулей и числа единиц последовательности (для четной длины последовательности это отличие может быть -2, 0 или 2; для нечетной -1,1 или 3).

На основе изложенных выше аналогий и критериев поиска была разработана программа расчета, действующая по следующим принципам;

® построение случайной системы элементов (ген-резервуар):

• выбор элементов системы, которые должны быть подвержены мутации с учетом критериев 1 и 2;

• задание начальных значений (нолей и единиц); в построение вариантов (мутаций):

• изменение определенных позиций стартовой последовательности с учетом критерия 1;

• проверка мутированной последовательности на соответствие критерию 2;

• построение вариантов с определенным образом сформированным значением функции качества СОБЛ (распределение осуществляется только после сравнения);

• расчет АКФ и СОБЛ:

• использование уравнения для АКФ:

• расчет СОБЛ согласно

гпктт- корреляционый максимум

СОЬЛ - — - ; (¿.)

наибольшим боковой максимум

• сравнение (виталитет):

• сравнение между СОБЛ новой последовательности и СОБЛ раннее генерированной последовательности;

• уменьшение вариантов (селекция):

• распределение вариантов по величине значения функции качества;

• сохранение последовательности с наибольшим СОБЛ в файле;

• ориентация дальнейших проверок на последовательность с наилучшим СОБЛ;

• решение о дальнейшем проведении (если не все возможные мутации стартовой последовательности осуществлены) или прерывание моделирования.

Функция качества является мерой оценки варианта и одновременно степенью достигнутого состояния в процессе оптимизации.

В работе показано, что эффективность применённой стратегии оптимизации позволяет снизить машинное время поиска кодовых слов по сравнению с методом последовательного перебора в 2-3 раза.

В третьей главе представлены принципы разработки корреляционных устройств на ПАВ и генераторов на их основе.

Показано, что параметры, влияющие на формирование, распространение и обратное преобразование ПАВ в корреляционной структуре могут быть разделены на две большие группы:

1. параметры материала, такие как коэффициент связи, скорость распространения ПАВ, затухание при распространении на подложке;

2. величины, прямо связанные с конструктивными параметрами преобразователя или общей структурой, такие как перекрытие штырей (апертура, взвешивание источников), число штырей, длина преобразователя, расстояние между штырями, расстояние между центрами преобразователей или свободное пространство между преобразователями.

Посредством внешних воздействий значительное влияние на свойства корреляционной линии задержки оказывают такие параметры как скорость распространения ПАВ, длина пути распространения ПАВ

(расстояние между преобразователями и длина преобразователей), затухание при распространении на граничной плоскости окружающая среда - твердое тело.

В большинстве случаев преобладающее число влияющих параметров изменяется посредством внешних физических величин одновременно. При этом изменения могут быть как синфазные, так и противофазные.

Показано, что при использовании различных вариантов генераторов с ЛЗ на ПАВ применимы унифицированные принципы анализа, такие как, например, дифференциальный принцип.

Особое внимание уделено исследованию импульсного генератора с корреляционной структурой, который имеет следующие преимущества:

• частота следования импульсов лежит в пределах нескольких сотен кГц. Высокая частота ПАВ должна обрабатываться только в триггере, все остальные электронные устройства работают в области частоты следования импульсов. Одновременно высокая частота сохраняется в области механических волн, то есть соотношение при взаимодействии не нарушается;

• благодаря дальнейшему использованию цифровых электронных устройств достигается большая независимость от нагрузки;

• удлинение области распространения ПАВ уменьшает частоту следования импульсов и повышает чувствительность генератора по сравнению с изменениями времени распространения.

Недостатками является то, что могут быть распознаны только изменения времени распространения, а не изменения затухания, что подготовка входного импульса ЛЗ предъявляет к себе высокие требования и что для начала работы необходим внешний стартовый импульс.

Отмечено такое важное свойство генератора как стабильность генерируемой частоты. Определены понятия „кратковременная стабильность" (до нескольких секунд), „средяевременкая стабильность" (часы до дней) и „долговременная стабильность" (месяцы, годы).

Для техники датчиков, требующих устройств на ПАВ с высокой центральной частотой и работающих в одномодовом режиме, предложено применение гармонического генератора, ввиду его относительно простого построения.

Проведён анализ требований к базовой конструкции корреляционных устройств на ПАВ для датчика газовой концентрации и показано, что предпочтительным является вариант конструкции, при котором чувствительность датчика непосредственно определяется областью распространения ПАВ.

Установлено, что для использования в качестве основы датчика газовой концентрации наиболее приемлемым является импульсный корреляционный генератор на ПАВ, использующий в качестве весовых функций ВШП функции с концентрацией максимума энергии в основном лепестке АКФ.

На основании разработанных требований и проведённого анализа элементной базы построен и экспериментально исследован импульсный генератор на базе корреляционной ЛЗ на ПАВ как основы датчика газовой концентрации. Показано хорошее соответствие экспериментальных характеристик генератора теоретическим расчётам.

Разработка датчика для определения газовой концентрации на основе корреляционных устройств на ПАВ рассмотрена в четвёртой главе.

Показано, что поверхностные акустические волны сами по себе не являются определяющими для химических и биологических веществ. Поэтому на пути распространения волн в качестве посредника должны выступать органические или неорганические слои, которые являются чувствительными к определенным газам. Представлены различные чувствительные вещества и распознаваемые с помощью их ты. Указаны эффекты, значительным образом влияющие на изменение времени распространения ПАВ между ВШП. Обосновано применение двухгенера-торной конфигурации газового датчика, позволяющей компенсировать влияния окружения, такие как температура, давление, колебания напряжения питания.

Для химических датчиков на ПАВ реакция слоя проявляется в основном посредством распознаваемых аналитиков. При этом может быть разработан датчик, для которого применимо известное уравнение для объемных волн:

А^-гз-ю-Ч2—. (3)

А

Это уравнение определяет зависимость между изменением частоты ПАВ Дf ввиду реакции слоя и изменением массы определяющего слоя Ат на площади А, которую занимает аналитик. Изменение частоты пропорционально квадрату используемой центральной частоты ПАВ что допускает очень большую чувствительность распознавания для из

Рис.1 Процесс оптимизации при поиске кодов

менения массы, так как ПАВ могут возбуждаться до ГГц диапазону. С минимально распознаваемыми частотными изменениями в современной электронике распознавания от ЛМ). 1 ... 1 Гц возникает граница распознавания толщины слоя < 30 пг/см2 для БТ-среза кварца.

Влияние на ПАВ нанесенного слоя происходит благодаря дополнительному затуханию ПАВ и изменению скорости распространения ПАВ. Подобным же образом излучение полной мощности из поля ПАВ на окружающую среду в случае граничного слоя твердое тело-газ приводит к излучению полной мощности из твердого тела на покрывающий слой в случае слоистой структуры.

В датчиках на ПАВ могут быть достигнуты значительные сокращения времени измерений только тогда, когда измерение может быть завершено уже во время процесса насыщения. Поэтому в работе подробно исследован характер процесса насыщения. Ок может быть распознан, если характеристика насыщения со значительной точностью соответствует функции

/ I Л

1-е

(4)

)

где щ масса введённого газа на единицу площади и т„с конечное значение этой массы. Конечное значение является зависимым от концентрации, крутизна характеристики насыщения является при постоянной т. (зависит от сорбента, толщины слоя и вводимого газа) также зависимой от концентрации. Возможный метод исследования, приведённый в работе, состоит, таким образом, в измерении крутизны изменения частоты, что может быть осуществлено посредством измерения частоты в двух определенных моментах времени и образовании разности.

Проведены экспериментальные исследования датчика газовой концентрации на основе гармонического и импульсного корреляционного генераторов, которые показали, что импульсный датчик обладает чувствительностью, в 4-5 раз превышающей чувствительность гармонического датчика и может успешно применяться для газовых концентраций до 5%о.

Показано, что обнаруженные с помощью разработанного алгоритма поиска двоичных последовательностей для корреляционных устройств на ПАВ (ЕУКСЖ) сигналы находят применение не только в технике датчиков. Данные сигналы служат для использования в системах кодирования адресов, в формоперемножающих схемах, СОМА-системах, в радиосистемах с передачей речи, в приборах для идентификации (ГО-Та§з), а также при передаче измеряемых величин.

тв

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведённых исследований позволяют сделать следующие основные вывода:

1. Показана конкурентоспособность и перспективность применения принципов стратегии биологической эволюции для оптимизации конструкции встречно-штыревых преобразователей корреляционных устройств на ПАВ. Применение данной стратегии позволяет повысить эффективность проекгирования устройств на ПАВ с максимальным соотношением основного и боковых лепестков автокорреляционной функции выходного сигнала для более надёжного детектирования полезного сигнала /1, 2,5/.

2. Разработан алгоритм поиска двоичных последовательностей для корреляционных устройств на ПАВ на основе стратегии оптимизации по принципам биологической эволюции и осуществлена его программная реализация. Показано, что данный алгоритм позволяет более эффективно осуществлять поиск, выигрывая до 60% по сравнению с общим перебором всех двоичных последовательностей определённой длины. Установлено, что для применения в технике ПАВ последовательностей максимальной длины в распоряжении есть малое число различных кодов определённой длины, а разработанный алгоритм поиска значительно расширяет это число, что важно для таких областей применения, как, например, информационная техника /1, 5/.

3. Разработана технология изготовления интегральных датчиков концентрации диоксида азота с использованием в качестве реагирующего слоя фталоцианияа меди, располагаемого на подложках из кварца и ниобата лития (1л№>Оэ) между преобразователями с корреляционной структурой. Установлено, что такое взаимное расположение адсорбирующего слоя и встречно-штыревых преобразователей позволяет использовать в качестве весовых функций ВШП фазокодо-манипулированные последовательности/3,4, 7, 10/.

4. Теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены зависимости чувствительности адсорбирующего слоя (на примере фталоцианина меди) в условиях различных концентраций диоксида азота. Установлено увеличение диапазона измеряемых концентраций от 0.02 до 5 %о, рабочих температур до 120°С, точности определения концентрации до 10"3%о /8,10/.

5. Анализ областей применения, обнаруженных с помощью разработанного алгоритма поиска двоичных последовательностей, пока-

зал эффективность их использования в системах кодирования адресов, формоперемножающих схемах, CDMA-системах, радиосистемах передачи речи и в приборах идентификации, заключающуюся в улучшении параметров применяемых устройств и повышении их чувствительности 16, 8,10/.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи и материалы конференций

1. Hofmann Н., Komarow S. EVKOR - ein Verfahren zur Auswahl korrelationsfahige Signale für SAW-Bauelemente / / HTW Dresden (FH)-Berichtc und Informationen. - 1/97,5.Jahrgang. - 1995 - S.69-71.

2. Комаров C.K., Хофманн X. EVKOR - методика выбора способных к корреляции сигналов для устройств на ПАВ / / Республ. межвед. сборник. Сер. Радиотехника и электроника. - Минск: 1999. - Выпуск 24- С. 175-179.

3. Komarow S., Holmami Н., Stab Н. Akustische Oberfläclienweilen (SAW)-Filterentwurf für Sensor-Oszillator i / Fortschritte der Akustik /21. Deutsche Jahrestagung für Akustik. - Saarbrücken. - 1995. - S.727-730.

4. Komarow S., Hofinann H., Stab H. Akustische-Oberflächenwellen (SAW)-Korrelationssensor mit Chirp- und PSK-Signalen /' / 40. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universität Ilmenau. - 1995. - Band 3. - S. 434-439.

5. Komarow S„ Hofroann H., Stab, H. SAW-Chirp- und PSK-Signale für Anwendungen in Gassensorsystemen / / Fortschritte der Akustik / 22. Deutsche Jahrestagimg iiir Akustik. - Bonn. - 1996. - S.440-441.

6. Hofinann H., Stab H., Komarov S. Design of SAW Correlation Devices With Evolutionär/ Strategy Methods (EVCOR) / / IEEE üitrasonics Symp. Proc., Toronto,Canada- 1997,-Vol.l - P.171-174.

7. Hofinann H., Buff W., Komarow S. Anwendung von SAW-PSK-Signalen mit guten Korrelationseigenschaften / / 24. Deutsche Jahrestagimg für Akustik/Zürich.-1998.- S.S92-593.

8. Hofinann H., Komarow S., Stab H. Anwendung strukturierter SAW -Signale / / 43. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universität Ilmenau. - 1998. - Band 2. - S. 220-225.

9. Hofinann H., Komarow S. EVKOR - ein Verfahren zur Auswahl korrelationsfähige Signale für SAW-Bauelemente / / Fortschritte der Akustik / 23. Deutsche Jahrestagung für Akustik. - Kiel. - 1997. - S.188-189.

Тезисы докладов

Ю.Комаров С.К., Хофмаяя X., Штаб X. Проектирование фильтров на поверхностных акустических волнах для применения в технике датчиков / ! Современные проблемы радиотехники: Тез. докл. науч.-тех. конф., Минск, 4-5 мая 1995 г./ Бел. гос. университет информатики и радиоэлектроники. - Минск, 1995. -С.15.

•ь/лаМ/-

РЭЗЮМЭ

Камароу Сяргей Каистанцшав1ч

Гнтэгральныя сустрэчна-штыравыя пераутваральшк! паверхневых акустычных хваляу для газавых датчыкау

Ключавыя словы: паверхневыя акустычныя хваш, сустрэчна-штыравы пераутваральнк, аутакарэляцыйная функцыя, суадносшы ас-ноунага и бакавых пялёсткау, стратэпя аптышзацьп, прынцьшы бЬтапчнай эвалюцън, гармашчны генератар, ¡мпульсны генератар, ка-рэляцыйнае прыстасаванне на ПАХ, датчык газавай канцэнтрацьи.

Аб'ект даследавашшу: карэляцыйныя прыстасаванш датчыкау канцэнтрацьн газау.

У дасертацыйяай працы разгледжана праблема аптым1зацьп кан-струкцы! сустрэчна-штыравых переутваралынкау паверхневых аку-стычных хваляу (ПАХ) для прымянення у карэляцыйных прыстасаван-нях датчыкау канцэнтрацьи газау. Распрацаваны алгарытм пошуку двайковых иаслядоукасцяу для карэляцыйных прыстасаванняу на ПАХ на аснове стратэги аптымгзацьи па прынцьшах б!ялапчнай эвалюцьп. На аснове раснрацаваных патрабаванняу г выбару стратэги аптьшнзацьп распрацавана разлшовая мадэль \ нашсана камп'ютэрная праграма ЕУКОЯ пошуку кодавых паслядоунасцяу, якая дазваляе аптымзаваць канструкцьп сустрэчна-штыравых переутваральшкау карэляцыйных прыстасаванняу на ПАХ ва умовах матмальных суадносш асноунага и бакавых пялёсткау аутакарэляцыйнай функцьй выхаднога сипалу и зшз1ць машынны час пошуку двайковых паслядоунасцяу у параунанш з пераборным метадам у 2-3 разы. Прапанавана новая канструкцыя гене-ратарау на аснове карэляцыйнай лшп затрымю на ПАХ. Паказана эфек-тыунасць яе выкарыстання у якасщ штэгральнага датчыка газавай канцэнтрацьи. Эксперыментальна вывучаны аутакарэляцыйныя функцьп карэляцыйных датчыкау на ПАХ. Прапанаваны практычныя рэкаменда-цьп па далейшай апгышзацьп ¡мпульсных карэляцыйных генератарау для к эфектыунага прымянення у с^стэмах кангролю розных асяродд-зяу.

РЕЗЮМЕ

Комаров Сергей Константинович

Интегральные встречиа-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн для газовых датчиков

Ключевые слова: поверхностные акустические волны, встречно-штыревой преобразователь, автокорреляционная функция, соотношение основного и боковых лепестков, стратегия оптимизации, принципы биологической эволюции, гармонический генератор, импульсный генератор, корреляционное устройство на ПАВ, датчик газовой концентрации.

Объект исследований: корреляционные устройства датчиков концентрации газов.

В диссертационной работе рассмотрена проблема оптимизации конструкции встречно-штыревых преобразователей ПАВ для применения в корреляционных устройствах датчиков концентрации газов. Разработан алгоритм поиска двоичных последовательностей для корреляционных устройств на ПАВ на основе стратегии оптимизации по принципам биологической эволюции. На основании разработанных требований и выбора стратегии оптимизации разработана расчётная модель и написана компьютерная программа ЕУКСЖ поиска кодовых последовательностей, позволяющая оптимизировать конструкции встречно- штыревых преобразователей корреляционных устройств на ПАВ в условиях максимального соотношения основного и боковых лепестков автокорреляционной функции выходного сигнала и снизить машинное время поиска двоичных последовательностей по сравнению с переборным методом в 2-3 раза. Предложена новая конструкция генераторов на основе корреляционной линии задержки на ПАВ. Показана эффективность её использования в качестве интегрального датчика газовой концентрации. Экспериментально изучены автокорреляционные функции корреляционных датчиков на ПАВ. Предложены практические рекомендации по дальнейшей оптимизации импульсных корреляционных генераторов для их эффективного применения в системах контроля различных сред.

20

4

SUMMARY Sergej K. Komarov Integral interdigital transducer surface acoustic wave for gas sensors

Key words: surface acoustic waves, interdigital transducer, autocorrelation function, main lobe - side lobe - ratio, strategy for the optimization, principles of the biological evolutionary, harmonic generator, impuis generator, SAW correlation device, sensor gas concentration.

The Subject of the Investigation: correlation devices of the sensor gas concentration.

In the dissertation the problem of optimization of the construction of SAW autocorrelation functions for the application in SAW correlation devices of sensor gas concentration has been considered. An algorythm of seek of double sequences for SAW correlation devices on the basis of the strategy for optimization according to the principles of the biological evolutionary has been worked out. On the basis of the worked out requirements and choice of strategy for optimization a rated model has been worked out and a computer programm EVKOR of seek of code sequences has been written which permits to optimise the constructions of the autocorrelation functions of SAW correlation devices in the conditions of maximum main lobe - side lobe - ratio of the autocorrelation function of the output signal, and to reduce twice or thrice the machine seek time of the double sequences in comparison with the sorting method. A new construction of generators on the basis of setback line (SAW) is proposed. Its efficiency is shown as the integral sensor gas concentration. The autocorrelation functions of SAW correlation devices have been experimentally studied. Practical recommendations for further optimisation of impuis generartors for their effective application in different control systems have been proposed.