[go: up one dir, main page]

LT6821B - Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer - Google Patents

Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer Download PDF

Info

Publication number
LT6821B
LT6821B LT2019061A LT2019061A LT6821B LT 6821 B LT6821 B LT 6821B LT 2019061 A LT2019061 A LT 2019061A LT 2019061 A LT2019061 A LT 2019061A LT 6821 B LT6821 B LT 6821B
Authority
LT
Lithuania
Prior art keywords
cmut
gas
gas sensor
sensor
membrane
Prior art date
Application number
LT2019061A
Other languages
Lithuanian (lt)
Other versions
LT2019061A (en
Inventor
Dovydas BARAUSKAS
BARAUSKAS Dovydas
Darius VIRŽONIS
VIRŽONIS Darius
Jonas BALTRUŠAITIS
BALTRUŠAITIS Jonas
Gailius Vanagas
VANAGAS Gailius
Donatas PELENIS
PELENIS Donatas
Original Assignee
Kauno technologijos universitetas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kauno technologijos universitetas filed Critical Kauno technologijos universitetas
Priority to LT2019061A priority Critical patent/LT6821B/en
Priority to PCT/IB2020/057535 priority patent/WO2021028827A1/en
Publication of LT2019061A publication Critical patent/LT2019061A/en
Publication of LT6821B publication Critical patent/LT6821B/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/036Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/022Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2406Electrostatic or capacitive probes, e.g. electret or cMUT-probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4454Signal recognition, e.g. specific values or portions, signal events, signatures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/014Resonance or resonant frequency
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/015Attenuation, scattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021Gases
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025Change of phase or condition
    • G01N2291/0256Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/025Change of phase or condition
    • G01N2291/0256Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
    • G01N2291/0257Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors with a layer containing at least one organic compound
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02809Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10Number of transducers
    • G01N2291/101Number of transducers one transducer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10Number of transducers
    • G01N2291/106Number of transducers one or more transducer arrays

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a gravimetric gas sensor for the selective detection of inorganic "acidic" gases, such as sulfur dioxide and carbon dioxide, in a gas mixture, without limiting the possibility of use with other gases. The sensor consists of capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) structure and functional material. The prior-art patents are close to this invention in that they rely on the measurement of changes in the CMUT structure resonant frequency. However, different functional materials are required to selectively detect different gases. The present invention is based on the use of functional polymers having specific properties, such as mPEI (methylated polyethyleneimine), without limiting the possibility of using other polymers having suitable properties. The problem is solved: more accurate, faster and more efficient gas detection and concentration measurement. The invention utilizes cross-sensor selectivity for different gases, achieved by refraining from modifying the sensor with different materials, instead employing more sophisticated measurement of detector dynamic parameters. CMUT structure is modified by functional material. The interaction with the gas changes the physical properties of the functional material (mass, modulus of elasticity), resulting in changes in the CMUT membrane loading parameters that are measured. The invention can be applied by mining companies, a wide range of household consumers.

Description

TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD

Išradimas susijęs su medžiagų jutikliais, o tiksliau su gravimetriniais dujų jutikliais ir matuokliais, kurie turi rezonatorius su funkciniais polimerais modifikuotu paviršiumi, reaguojančiu su tikslinėmis dujų molekulėmis ir keičiančiu rezonatoriaus dinamines savybes.The invention relates to sensors for materials, and more particularly to gravimetric gas sensors and meters having resonators with a modified surface modified with functional polymers that react with target gas molecules and alter the dynamic properties of the resonator.

TECHNIKOS LYGISBACKGROUND OF THE INVENTION

Šiuo metu mikroelektromechaninės sistemos (MEMS) yra naudojamos kaip rezonansiniai, akustiniai, gravimetriniai cheminiai arba biocheminiai jutikliai. Talpinis mikromontuojamas ultragarso keitiklis (angį.Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT) yra sudarytas iš celių, kurios yra kondensatoriai su viena judančia plokštele (membrana), atskirta nuo struktūrinio pagrindo vakuumo tarpeliu ir izoliuojančiais laikikliais. Naudojamos diskinės, keturkampės ar daugiakampės formos membranos. Keitiklio pagrindinė struktūra suformuota ant silicio ar kitos medžiagos plokštelės, kuri naudojama kaip apatinis elektrodas; viršutinis elektrodas mechaniškai sutapdinamas su judančia plokštele. Prie elektrodų prijungus įtampą, judanti plokštelė dėl kuloninės sąveikos įlinksta į pagrindo pusę. Judančios plokštelės vibravimas gali būti sužadinamas kintančiu elektriniu lauku. CMUT elementai gali turėti vieną ar daugiau celių; keitiklį sudaro elementų visuma. Apkrovus CMUT elementą papildoma mase, pavyzdžiui padengus polimeru, pasikeičia dinaminiai keitiklio parametrai: rezonansinis dažnis ir elektromechaninis impedansas.Microelectromechanical systems (MEMS) are currently used as resonant, acoustic, gravimetric chemical or biochemical sensors. The Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT) consists of cells that are capacitors with a single moving plate (membrane) separated from the structural base by a vacuum gap and insulating brackets. Disc, quadrangular or polygonal membranes are used. The main structure of the transducer is formed on a plate of silicon or other material used as the lower electrode; the upper electrode is mechanically aligned with the moving plate. When voltage is applied to the electrodes, the moving plate bends toward the base due to coulomb interaction. The vibration of the moving plate can be induced by an alternating electric field. CMUT elements may have one or more cells; the converter consists of a set of elements. When the CMUT element is loaded with additional mass, for example with a polymer coating, the dynamic parameters of the transducer change: the resonant frequency and the electromechanical impedance.

Iki šiol yra žinoma eilė bandymų panaudoti mikromembraninę elektrostatiškai aktyvuojamą CMUT struktūrą dujų jutikliams.To date, a number of attempts have been made to use a micromembrane electrostatically activated CMUT structure for gas sensors.

CMUT keitikliai gali turėti vienintelį elementą, taip pat vienmačius bei dvimačius elementų masyvus su galimybe vienu metu lygiagrečiai matuoti keliuose kanaluose tuo pačiu išlaikant mažus keitiklio matmenis. Atsiranda aukštas lygiagrečių matavimų potencialas, turint didelį matavimo zondų skaičių mažame plote. Daugiamačiai ir kelių matavimo kanalų CMUT jutikliai paminėti JAV patente US9366651B2.CMUT converters can have a single element as well as one-dimensional and two-dimensional element arrays with the ability to measure simultaneously in multiple channels while maintaining small converter dimensions. A high potential for parallel measurements is obtained with a large number of measuring probes in a small area. Multidimensional and multi-channel CMUT sensors are mentioned in U.S. Pat. No. 9,366,651B2.

Selektyviam dujų aptikimui CMUT jutiklių paviršius yra modifikuojamas polimerais, kurie specifiškai sąveikauja su analizuojamomis dujomis jas selektyviai adsorbuodami ant modifikuoto paviršiaus ir taip sudaro sąlygas aptikti modifikuotame paviršiuje įvykusius fizikinius ir/arba cheminius pasikeitimus. Galimybė aptikti dėl dujų molekulių adsorbcijos įvykusius masės pasikeitimus sukuriama analizuojant rezonansinio dažnio pokyčius. Apie CMUT jutiklių membranų modifikavimą funkcinėmis medžiagomis ir polimerais rašoma technikos lygio patentiniuose šaltiniuose WO2011026836A1, DE200910040052, US9366651B2, US7871569B2.For selective gas detection, the surface of CMUT sensors is modified with polymers that specifically interact with the analyte gas by selectively adsorbing them to the modified surface, thus allowing the detection of physical and / or chemical changes in the modified surface. The ability to detect mass changes due to the adsorption of gas molecules is created by analyzing the changes in the resonant frequency. Modification of CMUT sensor membranes with functional materials and polymers is described in prior art patent documents WO2011026836A1, DE200910040052, US9366651B2, US7871569B2.

Įprastai įvairios medžiagos bei polimerai ant CMUT jutiklio paviršiaus yra nusodinami lašinimo, sluoksniavimo (layer-by-layer deposition), užpurškimo būdais. Taip pat jutiklio paviršius yra modifikuojamas centrifugavimo metodu, kuris leidžia gauti atsikartojančius plono polimero sluoksnius ant jutiklio paviršiaus. Apie CMUT padengimą centrifugavimo (spinning, spincoating) būdu rašoma patentuose US7074634B2 [0167], US20070180916A1, CN107151864B.Typically, various materials and polymers are deposited on the surface of the CMUT sensor by drop-by-layer deposition. Also, the surface of the sensor is modified by a centrifugation method, which allows repetitive layers of thin polymer to be obtained on the surface of the sensor. CMT coating by spinning is described in US7074634B2, US20070180916A1, CN107151864B.

Patento paraiška WO2019032938A1 aprašo optiškai skaidraus talpinio mikromontuojamo ultragarsinio keitiklio (CMUT) gamybos technologiją, bei paragrafe [0092] nurodyta, kad jis gali būti sukonfigūruotas kaip gravimetrinis jutiklis su selektyviu funkciniu sluoksniu ant vibruojančios membranos, kur membranos virpesių dažnis pasislenka žemyn, kai dėl masės apkrovimo tikslinės molekulės jungiasi (arba adsorbuojasi) ant funkcinio sluoksnio. Toks jutiklis gali būti suprojektuotas veikti dujinėje terpėje arba skystoje terpėje ir funkcionuoti kaip dujų jutiklis arba biosensorius. Tačiau realūs eksperimentai rodo, pavyzdžiui, šaltinis Microchimica Acta. October 2014, Volume 181, Issue 13-14, pp 1749-175, DOI:10.1109/ULTSYM.2014.0646, kad tam tikromis sąlygomis dėl specifinės sąveikos tarp dujų molekulių ir funkcinės dangos pasikeičia funkcinės dangos elastingumo modulis arba sumažėja slopinimo koeficientas, ir dėl to rezonansinis dažnis gali ne tik mažėti, bet ir didėti. Taip pat, šioje patento paraiškoje WO2019032938A1 neatskleistas CMUT taikymas tiksliai ir selektyviai matuoti tam tikrų dujų koncentracijas.WO2019032938A1 describes a technology for the production of an optically transparent capacitive micromountable ultrasonic transducer (CMUT) and states in paragraph [0092] that it can be configured as a gravimetric sensor with a selective functional layer on a vibrating membrane, where the vibration frequency of the membrane oscillates the target molecules bind (or adsorb) on the functional layer. Such a sensor can be designed to operate in a gaseous or liquid medium and function as a gas sensor or biosensor. However, real experiments show, for example, the source Microchimica Acta. October 2014, Volume 181, Issue 13-14, pp. 1749-175, DOI: 10.1109 / ULTSYM.2014.0646 that under certain conditions the specific interaction between gas molecules and the functional coating changes the modulus of elasticity of the functional coating or reduces the damping coefficient, and as a result the resonant frequency may not only decrease but also increase. Also, this patent application WO2019032938A1 does not disclose the use of CMUT to accurately and selectively measure concentrations of certain gases.

Šiuo metu rinkoje paplitę dujų jutikliai, pavyzdžiui, elektrocheminiai jutikliai, turi trūkumų ir dažnai reaguoja į įvairius dujų mišinius, be galimybės atskirti skirtingas dujas pagal gaunamą signalą, kas apriboja gaunamos informacijos pranašumą. Specifiškumas leidžia selektyviai aptikti skirtingas dujas jų mišinyje.Gas sensors currently on the market, such as electrochemical sensors, have drawbacks and often react to different gas mixtures without the possibility of distinguishing between different gases according to the received signal, which limits the advantage of the information received. The specificity allows the selective detection of different gases in their mixture.

JAV patentas US8689606B2 (WO2010109363A2 / CN102362178B) aprašo dujų jutiklio mikroschemą turinčią celes ultragarsui skleisti ir priimti, sukonfigūruotą pakankamai dideliam dažnių diapazonui ir matuojančią bent vieno iš dujų komponentų koncentraciją pagal mažiausiai du atsakus diapazone. Dažnių diapazoną galima pasiekti keičiant celių membranų dydį, keičiant įstrižinę įtampą ir (arba) keičiant oro slėgį CMIIT ar MEMS mikrofonų rinkiniui. Jutiklio mikroschema gali būti naudojama aptikti CO2 dujas. Mikroschema realizuota kaip savarankiškas įrenginys, nereikalaujantis atskirų jutiklių. Šiame išradime yra naudojamas ultragarso sklidimo trukmės matavimas, kuris turi žemesnį tikslumo potencialą, nei selektyvinis gravimetrinis. Taip pat, šiame išradime nenaudojamos funkcinės medžiagos su jų savybėmis, todėl kryžmiškai selektyvus dujų aptikimas negalimas.U.S. Pat. No. 8,689,606B2 (WO2010109363A2 / CN102362178B) describes a gas sensor chip for transmitting and receiving ultrasound configured over a sufficiently wide frequency range and measuring the concentration of at least one of the gas components in a range of at least two responses. The frequency range can be achieved by resizing the cell membranes, changing the diagonal voltage, and / or changing the air pressure for the CMIIT or MEMS microphone set. A sensor chip can be used to detect CO 2 gas. The chip is implemented as a stand-alone device that does not require separate sensors. The present invention uses an ultrasonic propagation time measurement that has a lower accuracy potential than selective gravimetric. Also, functional materials with their properties are not used in the present invention, so cross-selective gas detection is not possible.

Patento paraiška WO2011026836A1 (DE102009040052A1) aprašo anglies dvideginio jutiklį, turintį dujoms jautrų sluoksnį, pagamintą iš linijinių polimerų grandinių, turinčių šonines grandines, turinčias pirminę aminogrupę. Aminogrupė reaguoja su CO2 ir sudaro karbamatą, ir šios reakcijos metu kinta medžiagos fizikinės savybės. Minėtą pokytį galima išmatuoti lauko efekto tranzistoriumi (FET), Kelvino zondu, arba išmatuojant talpos ar masės pokyčius. Medžiagų pavyzdžiai yra siloksanai, tokie kaip poli-aminopropilmetilildietoksilas, anglies nitridas ir cisteaminas. Jautri medžiaga gali būti maišoma su hidrofobine medžiaga arba polimerizuota su hidrofobiniais monomerais.Patent application WO2011026836A1 (DE102009040052A1) describes a carbon dioxide sensor having a gas-sensitive layer made of linear polymer chains having side chains having a primary amino group. The amino group reacts with CO 2 to form the carbamate, and the physical properties of the substance change during this reaction. This change can be measured with a field effect transistor (FET), a Kelvin probe, or by measuring changes in capacitance or mass. Examples of materials are siloxanes such as polyaminopropylmethyldiethoxyl, carbon nitride and cysteamine. The sensitive material can be mixed with a hydrophobic material or polymerized with hydrophobic monomers.

JAV patentas US9366651B2 aprašo jutiklių masyvo paviršiaus modifikacijas, suteikia jutikliams skirtingas molekulių adsorbcijos ar surišimo funkcijas. Pirmasis jutiklis masyve apima pirmąjį rezonuojantį elementą, turintį pirmąjį paviršių, turintį receptorinę medžiagą, padengtą virš pirmosios pagrindinės medžiagos. Antras jutiklis apima antrą rezonuojantį elementą, turintį antrą paviršių, apimantį receptorinę medžiagą, padengtą antrąja pagrindine medžiaga, kuri skiriasi nuo pirmosios pagrindo medžiagos. Pirmoji pagrindinė medžiaga, antroji pagrindinė medžiaga ir receptoriaus medžiaga yra parinkti taip, kad pirmasis rezonuojantis elementas, turintis receptoriaus ir pirmosios pagrindinės medžiagos derinį, turėtų skirtingą sugebėjimą adsorbuoti ar surišti vienos ar daugiau masių. Antrasis rezonuojantis elementas, turintis receptoriaus medžiagos derinį su antrąja pagrindine medžiaga, yra analitinis. Receptoriaus medžiagos yra 3- aminopropiltrimetoksisiloksanas (AMO) ir propiltrimetoksisiloksanas (PTMS).U.S. Pat. No. 9,366,651B2 describes surface modifications of a sensor array that provide different molecular adsorption or binding functions to the sensors. The first sensor in the array includes a first resonant element having a first surface having a receptor material coated over the first base material. The second sensor includes a second resonant element having a second surface comprising a receptor material coated with a second base material that is different from the first base material. The first base material, the second base material, and the receptor material are selected such that the first resonant element having a combination of receptor and first base material has a different ability to adsorb or bind one or more masses. The second resonant element having a combination of the receptor material with the second parent material is analytical. The receptor substances are 3-aminopropyltrimethoxysiloxane (AMO) and propyltrimethoxysiloxane (PTMS).

JAV patentas US7871569B2 aprašo biomolekulių aptikimo mėginyje sistemas ir metodus, naudojant biojutiklius su rezonatoriais, kurių paviršiai turi funkcionalumą reaguoti su tikslinėmis biomolekulėmis. Įgyvendinimo variante įtaisą sudaro pjezoelektrinis rezonatorius, kurio funkcionalizuotas paviršius sukonfigūruotas reaguoti su tikslinėmis molekulėmis, taip keičiant rezonatoriaus masę ir krūvį, kuris atitinkamai keičia rezonatoriaus dažnio atsaką. Rezonatoriaus dažnio atsakas, paveiktas bandiniu, yra lyginamas su etaloniniais parametrais, tokiais kaip dažnio atsakas prieš poveikį bandiniui, išsaugotas pradinis dažnio atsakas arba kontrolinio rezonatoriaus dažnio atsakas.U.S. Patent No. 7871569B2 describes systems and methods for detecting biomolecules in a sample using biosensors with resonators whose surfaces have the functionality to react with target biomolecules. In an embodiment, the device comprises a piezoelectric resonator, the functionalized surface of which is configured to react with the target molecules, thereby varying the mass and charge of the resonator, which changes the frequency response of the resonator accordingly. The resonator frequency response affected by the sample is compared to reference parameters such as frequency response before exposure to the sample, retained initial frequency response, or control resonator frequency response.

Šiam išradimui artimiausi technikos lygio šaltiniai yra patentai US9366651B2 ir US7871569B2. Tačiau jie neaprašo, kaip selektyviai ir tiksliai matuoti tam tikrų dujų, pavyzdžiui, anglies dvideginio ir sieros dvideginio, koncentracijas dujų mišinyje. Taip pat šiuose prototipų patentuose naudojami kito tipo rezonatoriai (pavyzdžiui, “quartz crystal microbalance (QCM, kvarcinės mikrosvarstyklės) arba kiti pjezoelektrinėmis kristalų savybėmis paremti rezonatoriai), kurių jautrio potencialas yra mažesnis už CMUT struktūros. Todėl šiame išradime keliama problema rasti tokius funkcinius polimerus ir matavimo būdus, leidžiančius tiksliai matuoti tam tikrų dujų koncentracijas CMUT jutikliais su vienu CMUT keitikliu (arba lygiagrečiai sujungtais to paties tipo keitikliais).The closest prior art sources to the present invention are US9366651B2 and US7871569B2. However, they do not describe how to selectively and accurately measure the concentrations of certain gases in a gas mixture, such as carbon dioxide and sulfur dioxide. These prototype patents also use other types of resonators (such as quartz crystal microbalance (QCM) or other resonators based on piezoelectric crystal properties) that have a lower sensitivity potential than the CMUT structure. It is therefore an object of the present invention to find functional polymers and measurement methods that allow accurate measurement of certain gas concentrations by CMUT sensors with a single CMUT converter (or transducers of the same type connected in parallel).

IŠRADIMO ESMĖSUMMARY OF THE INVENTION

Išradimas išsprendžia selektyvaus dujų aptikimo dujų mišinyje vienu CMUT keitikliu problemą. Sukurta sistema leidžia gravimetriniu būdu matuoti dujų mišinyje esančių skirtingų dujų kiekius ir jas analizuoti. Išradimo įgyvendinimo viename iš variantų dujos yra anglies dvideginis ir sieros dvideginis. Taip pat, išradimas padidina gaunamos informacijos kiekį apie sąveikas, vykstančias tarp dujų molekulių ir funkcinių medžiagų. Tai pagerina matavimo kanalo patikimumą ir sumažina neapibrėžtumus, praturtina jutiklio signalo informaciją, nustatoma vykstanti specifiška sąveika su jutiklio celėmis. Išradime selektyviam dujų aptikimui naudojami iminų grupės polimerai.The invention solves the problem of selective gas detection in a gas mixture by a single CMUT converter. The developed system allows to gravimetrically measure and analyze the amounts of different gases in the gas mixture. In one embodiment of the invention, the gas is carbon dioxide and sulfur dioxide. Also, the invention increases the amount of information available about interactions between gas molecules and functional materials. This improves the reliability of the measurement channel and reduces uncertainties, enriches the sensor signal information, detects ongoing specific interactions with the sensor cells. The invention uses imine group polymers for selective gas detection.

Išradimo eksperimento įgyvendinimo variantas apima suderintą sistemą, skirtą aptikti ir matuoti anglies dvideginio ir sieros dvideginio dujų koncentraciją dujų mišinyje, susidedančią iš:An embodiment of the experiment of the invention comprises a harmonized system for detecting and measuring the concentration of carbon dioxide and sulfur dioxide in a gas mixture comprising:

• CMUT jutiklių matricos su modifikuotu paviršiumi polimeru metiliuotu polietileniminas (mPEI), kur paviršius padengtas polimeru centrifugavimo (spincoating) būdu;• Modified surface polymer modified methylated polyethyleneimine (mPEI), where the surface is polymer coated by spincoating;

• matavimo elektronikos grandyno, kurį sudaro maitinimo šaltinio elektronika, ir osciliatoriaus, kurio dažnį užduoda CMUT struktūra, elektronika;• the electronics of the measuring electronics circuit, which consists of the power supply electronics, and the oscillator, the frequency of which is given by the CMUT structure;

• matavimo duomenų skaitmenizavimo ir skaitmeninio apdorojimo programinė įranga.• Measurement data digitization and digital processing software.

Įgyvendinimo variante sistemą sudaro CMUT jutiklių masyvas, modifikuotas plonu polimero sluoksniu ir prijungtas prie priešįtampį sukuriančios elektrinės grandinės optimaliam darbo taškui gauti. CMUT dažninė ir elektromechaninio impedanso amplitudės charakteristikos stebimos naudojant osciliatoriaus grandinę, kuri maitinama su atskiru maitinimo šaltiniu, prijungtu prie kintamos įtampos šaltinio. Sustiprintas signalas ir jo parametrai, įskaitant rezonansinį dažnį ir osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudę, yra oscilografu skaitmenizuojami ir perduodami į kompiuterį nuoseklaus formato skaitmenine sąsaja skaitmeniniam apdorojimui, saugojimui ir atvaizdavimui.In an embodiment, the system consists of an array of CMUT sensors modified with a thin layer of polymer and connected to a biasing electrical circuit for optimal operating point. The CMUT frequency and electromechanical impedance amplitude characteristics are monitored using an oscillator circuit that is powered by a separate power supply connected to an AC voltage source. The amplified signal and its parameters, including the resonant frequency and the amplitude of the oscillator output signal, are digitized by an oscilloscope and transmitted to a computer via a digital interface in digital format for digital processing, storage and display.

Įgyvendinimo variantas naudojamas anglies dvideginio ir sieros dvideginio dujų mišinio selektyviam matavimui su CMUT jutikliais, šių jutiklių panaudojimui dujų mišinių analizei, ir tiksliems anglies dvideginio ir sieros dvideginio dujų mišinio koncentracijų nustatymams.The embodiment is used for the selective measurement of a mixture of carbon dioxide and sulfur dioxide with CMUT sensors, for the use of these sensors in the analysis of gas mixtures, and for the accurate determination of the concentrations of a mixture of carbon dioxide and sulfur dioxide.

TRUMPAS BRĖŽINIŲ PAVEIKSLŲ APRAŠYMASBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Pridedamos schemos ir brėžiniai yra išradimo aprašymo sudedamoji dalis ir pateikti kaip nuoroda į galimą išradimo įgyvendinimą, bet neturi riboti išradimo apimties. Brėžiniai ir schemos nebūtinai atitinka išradimo detalių mastelį. Detalės, kurios nėra būtinos aiškinant išradimo veikimą ir neturi ryšio, nėra pateikiamos.The accompanying diagrams and drawings form an integral part of the description of the invention and are provided as a reference to a possible embodiment of the invention, but are not intended to limit the scope of the invention. The drawings and diagrams do not necessarily correspond to the scale of the details of the invention. Details that are not necessary to explain the operation of the invention and are not related are not provided.

Pav. 1 pavaizduota CMUT jutiklio vienos celės sudedamųjų dalių schema.Fig. Figure 1 shows a schematic of the single cell components of a CMUT sensor.

Paveiksle skaičiais pažymėti tokie elementai: 101 - CMUT celės struktūra; 102 - izoliacinis sluoksnis; 103 - viršutinio elektrodo kontaktinė aikštelė; 104 viršutinis elektrodas; 105 - paviršiaus funkcinio polimero sluoksnis; 106 - vakuumo tarpelis; 107 - membrana; 108 - apatinio elektrodo kontaktinė aikštelė; 109 - apatinis elektrodas.The following elements are numbered in the figure: 101 - CMUT cell structure; 102 - insulating layer; 103 - upper electrode contact area; 104 upper electrode; 105 - surface functional polymer layer; 106 - vacuum gap; 107 - membrane; 108 - lower electrode contact area; 109 - lower electrode.

Pav. 2 pavaizduota 200 - matavimo sistemos struktūrinė schema.Fig. Figure 2 shows a block diagram of a measuring system.

Paveiksle skaičiais pažymėti tokie elementai: 201 - priešįtampio generatorius; 202 - CMUT jutiklis; 203 - paviršiaus modifikavimas; 204 - osciliatoriaus grandinė; 205 - osciliatoriaus grandinės maitinimo šaltinis; 206 - oscilografas; 207 kompiuteris.The following elements are marked with numbers in the figure: 201 - bias generator; 202 - CMUT sensor; 203 - surface modification; 204 - oscillator circuit; 205 - oscillator circuit power supply; 206 - oscillograph; 207 computer.

Pav. 3 pavaizduota matavimo sistemos struktūrinė schema.Fig. Figure 3 shows a structural diagram of the measurement system.

Paveiksle skaičiais pažymėti tokie elementai: 301 - CMUT jutiklis; 302 - PCB; 303 - paviršiaus funkcinis polimeras; 304 - viršutinis elektrodas (auksas); 305 CMUT celė; 306 - CMUT celių masyvas; 307 - epoksidinis sluoksnis; 308 - kontaktinė aikštelė; 309 - apatinio elektrodo kontaktinė aikštelė; 310 - aukso siūlas; 311 - PCB takelis apatiniam elektrodui; 312 - apatinio elektrodo/žemės kontaktas; 313 - PCB takelis viršutiniam elektrodui; 314 — viršutinio elektrodo kontaktas.The following elements are numbered in the figure: 301 - CMUT sensor; 302 - PCB; 303 - surface functional polymer; 304 - upper electrode (gold); 305 CMUT cells; 306 - CMUT cell array; 307 - epoxy layer; 308 - contact area; 309 - lower electrode contact area; 310 - gold thread; 311 - PCB track for lower electrode; 312 - lower electrode / ground contact; 313 - PCB track for upper electrode; 314 - upper electrode contact.

Pav. 4 pavaizduotas 400 - rezonanso dažnio poslinkis ir osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudė kaip laiko funkcija: prieš reakciją, CO2 ir SO2 reakcijos metu ir po reakcijos.Fig. Figure 4 shows the 400 - resonant frequency shift and amplitude of the oscillator output signal as a function of time: before the reaction, during CO 2 and SO 2 reaction and after the reaction.

Paveiksle skaičiais pažymėti tokie elementai: 401 - pradinis dažnis; 402 dažnio pokytis reakcijos su CO2 metu; 403 - dažnio pokytis reakcijos su CO2 ir SO2 metu; 404 - dažnio pokytis po reakcijos su CO2 ir SO2; 405 - pradinė amplitudė; 406 CO2 reakcijos pradžia; 407- amplitudė reakcijos su CO2 ir SO2 metu; 408- CO2 ir SO2 reakcijos pradžia; 409- CO2 ir SO2 reakcijos pabaiga;The following elements are numbered in the figure: 401 - initial frequency; 402 change in frequency during reaction with CO 2 ; 403 - frequency change during reaction with CO 2 and SO 2 ; 404 - frequency change after reaction with CO 2 and SO 2 ; 405 - initial amplitude; 406 CO 2 reaction onset; 407- amplitude during reaction with CO 2 and SO 2 ; 408- onset of CO 2 and SO 2 reaction; 409- end of CO 2 and SO 2 reaction;

Pav. 5 pavaizduoja charakteristikas, kaip kinta CMUT membranos (107), padengtos mPEI polimero sluoksniu, rezonansinis dažnis Frez, priklausomai nuo tiriamame dujų mišinyje esančių tikslinių dujų. 501 - anglies dvideginio CO2 koncentracijos, 502 - sieros dvideginio SO2 koncentracijos, esant aplinkos temperatūrai 23°C.Fig. Figure 5 shows the characteristics of the resonant frequency F re z of a CMUT membrane (107) coated with a mPEI polymer layer, depending on the target gases in the test gas mixture. 501 - concentrations of carbon dioxide CO 2 , 502 - concentrations of sulfur dioxide SO 2 at ambient temperature 23 ° C.

DETALUS IŠRADIMO APRAŠYMASDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Šiame išradime yra atskleidžiamas CMUT jutiklis su modifikuotu paviršiumi, skirtas selektyviai aptikti mišinyje esančių dviejų dujų, pavyzdžiui, anglies dvideginio ir sieros dvideginio, dujų koncentracijas naudojant papildomus elektronikos komponentus ir matavimo kanalus.The present invention discloses a surface-modified CMUT sensor for the selective detection of gas concentrations in a mixture of two gases, such as carbon dioxide and sulfur dioxide, using additional electronic components and measurement channels.

CMUT jutiklio membranų paviršius modifikuojamas iminų grupės polimerais, kurie iš esmės gali būti tinkami ir kitoms, negu anglies dvideginis ir sieros dvideginis, dujoms selektyviai aptikti dujų mišinyje.The surface of the membranes of the CMUT sensor is modified with polymers of the imine group, which can in principle be suitable for the selective detection of gases other than carbon dioxide and sulfur dioxide in the gas mixture.

Jutiklio konstrukcija. CMUT jutiklis (301) yra sudarytas iš bent vieno elemento (306), apimančio bent vieną celę (101,305), kurios skersmuo yra 42pm, celių skaičius viename elemente (306) yra 1600. Kiekviena celė apima membraną (106), kuri izoliuojančiais laikikliais (102) yra atskirta nuo celės struktūrinio pagrindo (109), sudarant vakuumo tarpelį (106). Membranos viršutinis sluoksnis (104) gaminamas iš didelį elektrinį laidumą ir gerą adheziją su funkcine medžiaga turinčios medžiagos, pavyzdžiui, aukso, ant kurios technologiškai galima suformuoti aktyvų funkcinį medžiagos sluoksnį (105, 305), skirtą keitiklio selektyvumui dujų mišinyje padidinti. Galima naudoti ir kitus medžiagų sluoksnius, reikiamu būdu suderinančius membranos ir funkcinio sluoksnio elektrines, mechanines, morfologines bei kitas savybes. Membranos forma gali būti disko formos, keturkampė ar daugiakampė ar kitokios formos. Bent vienas membranos sluoksnis yra laidus elektros srovei ir yra naudojamas kaip viršutinis elektrodas (104, 105, 304). Tarp membranos (107) ir pagrindo suformuojamas izoliacinis sluoksnis (102), elektrodų atskyrimas (108) ir vakuumo tarpelis (106) reikalingi membranos vibravimui. Jutiklių celės (101,305) suformuotos ant legiruotos silicio plokštelės (109), kuri naudojama kaip apatinis elektrodas (308). Prie viršutinio elektrodo (104, 304) ir apatinio elektrodo (109, 309) yra prijungiama įtampa. Membrana (107) dėl Kulono sąveikos įlinksta į pagrindo pusę, o membranos vibravimas sužadinamas membranos įlinkį keičiant kintančiu elektriniu lauku. Įtampa viršutiniam ir apatiniam elektrodams paduodama per specialias jungtis (312, 314) sukonstruotas ant spausdinto montažo plokštės (302) kurios takeliai (311, 313) sujungti su elektrodais aukso siūlais (310) prie CMUT jutiklio kontaktinių aikštelių (309, 304) padengtų epoksidine danga (307).Sensor design. The CMUT sensor (301) is comprised of at least one element (306) comprising at least one cell (101,305) having a diameter of 42 μm, the number of cells per element (306) being 1600. Each cell comprises a membrane (106) which is insulated by holders ( 102) is separated from the cell structural base (109) to form a vacuum gap (106). The top layer (104) of the membrane is made of a material having high electrical conductivity and good adhesion to the functional material, such as gold, on which an active functional material layer (105, 305) can be technologically formed to increase the selectivity of the transducer in the gas mixture. Other layers of materials can be used that combine the electrical, mechanical, morphological, and other properties of the membrane and the functional layer as needed. The shape of the membrane may be disk-shaped, quadrangular or polygonal, or other shapes. At least one layer of the membrane is electrically conductive and is used as the upper electrode (104, 105, 304). An insulating layer (102), electrode separation (108) and a vacuum gap (106) are formed between the membrane (107) and the substrate to vibrate the membrane. The sensor cells (101,305) are formed on an alloyed silicon wafer (109) which is used as the lower electrode (308). A voltage is applied to the upper electrode (104, 304) and the lower electrode (109, 309). The membrane (107) bends towards the base due to the Coulomb interaction, and the vibration of the membrane is induced by changing the bending of the membrane by a changing electric field. Voltage is applied to the upper and lower electrodes through special connectors (312, 314) constructed on a printed circuit board (302) whose tracks (311, 313) are connected to the electrodes of the CMUT sensor contacts (309, 304) coated with epoxy coating. (307).

CMUT jutiklio celės (101, 305) sujungiamos lygiagrečiai, suformuojant jutiklio elementų masyvą (306). Membranų masyvas (306) padengiamas auksu (304), sujungiančiu visas jutiklio celes (305) lygiagrečiai.The CMUT sensor cells (101, 305) are connected in parallel to form an array (306) of sensor elements. The array of membranes (306) is coated with gold (304) connecting all sensor cells (305) in parallel.

CMUT masyvą apkrovus papildoma mase, pasikeičia dinaminiai jutiklio parametrai: rezonansinis dažnis ir elektromechaninis impedansas. Tam, kad CMUT jutiklis veiktų kaip cheminis jutiklis, jo celių paviršius yra modifikuojamas aktyvios medžiagos (105, 303) iminų grupės polimero, pavyzdžiui, metiliuoto polietilenimino (mPEI) (303), kuris sąveikauja su tiriamų tikslinių dujų molekulėmis. Paviršiaus modifikavimas (203) atliekamas padengiant iminų grupės polimero (pavyzdžiui, mPEI) (303) sluoksnį ant jutiklio membranų (104, 106, 305) centrifugavimo metodu. Dujų molekulėms sąveikaujant su polimero sluoksniu, keičiasi jutiklio (301) dinaminės charakteristikos rezonansinis dažnis ir elektromechaninis impedansas, kuris nulemia osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudę. Šie besikeičiantys parametrai yra registruojami kompiuteryje (207) prie kurio prijungtas oscilografas (206), realiu laiku gaunantis CMUT membranos rezonansinio dažnio ir amplitudės signalą iš osciliatoriaus grandinės (204) maitinamos atskiru maitinimo šaltiniu (205). Šioje grandinėje jutiklis (301) veikia kaip elektromechaninis rezonatorius. Darbo taško optimizavimas atliekamas priešjtampį generuojančia elektronika (201).When the CMUT array is loaded with additional mass, the dynamic parameters of the sensor change: resonant frequency and electromechanical impedance. In order for the CMUT sensor to act as a chemical sensor, its cell surface is modified by a polymer of the imine group of the active substance (105, 303), such as methylated polyethyleneimine (mPEI) (303), which interacts with the target gas molecules under study. The surface modification (203) is performed by coating a layer of imine group polymer (e.g., mPEI) (303) on the sensor membranes (104, 106, 305) by centrifugation. As the gas molecules interact with the polymer layer, the resonant frequency and electromechanical impedance of the dynamic characteristics of the sensor (301) change, which determines the amplitude of the oscillator output signal. These variable parameters are recorded on a computer (207) to which an oscilloscope (206) is connected, receiving a real-time signal from the resonant frequency and amplitude of the CMUT membrane from the oscillator circuit (204) powered by a separate power supply (205). In this circuit, the sensor (301) acts as an electromechanical resonator. The operating point optimization is performed by bias-generating electronics (201).

Kompiuteryje realiu laiku yra saugomi duomenys apie CMUT jutiklio (301) rezonansinio dažnio pokyčius ir osciliatoriaus signalo išėjimo amplitudę jutiklio paviršiaus modifikavimo sluoksniui (303, 105) reaguojant su anglies dvideginio ir sieros dvideginio dujomis keičiantis šio dujų mišinio koncentracijoms.The computer stores in real time data about changes in the resonant frequency of the CMUT sensor (301) and the amplitude of the oscillator signal output as the sensor surface modification layer (303, 105) reacts with carbon dioxide and sulfur dioxide to change the concentrations of this gas mixture.

Eksperimentinė sistema. Suderinta sistema (200) susidedanti iš CMUT keitiklių masyvo (202) su modifikuotu paviršiumi polimeru (šiame eksperimente: metiliuotu polietileniminu arba mPEI), padengtu ant CMUT jutiklio centrifugavimo būdu, ir matavimo elektronikos grandynu, kurį sudaro maitinimo šaltinio elektronika, signalo stiprinimo elektronika, oscilografo panaudojimas duomenų saugojimui kartu su MatLab sąsaja, galintis aptikti anglies dvideginio ir sieros dvideginio dujų koncentraciją šių dujų mišinyje. Šią sistemą sudaro:Experimental system. A harmonized system (200) comprising an array of CMUT transducers (202) with a surface modified polymer (in this experiment: methylated polyethyleneimine or mPEI) coated on a CMUT sensor by centrifugation and a measuring electronics circuit consisting of power supply electronics, signal amplification electronics, an oscilloscope use for data storage in conjunction with a MatLab interface capable of detecting the concentration of carbon dioxide and sulfur dioxide in a mixture of these gases. This system consists of:

• CMUT jutiklių masyvas (202) modifikuotas plonu polimero sluoksniu (203) pajungtas prie priešjtampį sukuriančios elektrinės grandies (201) skirtos optimaliam darbo taškui gauti;• A CMUT sensor array (202) modified with a thin polymer layer (203) connected to a bias-generating electrical circuit (201) for optimal operating point;

• CMUT dažninė ir signalo amplitudės charakteristikos stebimos naudojant „Colpitts“ arba kito tinkamo tipo osciliatoriaus grandinę (204), kuri yra maitinama su atskiru maitinimo šaltiniu (205) prijungtu prie kintamos įtampos šaltinio.• The CMUT frequency and signal amplitude characteristics are monitored using a Colpitts or other suitable type of oscillator circuit (204) that is powered by a separate power supply (205) connected to an AC voltage source.

• Sustiprintas signalas ir signalo parametrai įskaitant rezonansinį dažnį ir amplitudę yra oscilografu (206) perduodami į kompiuterį (207) nuoseklia USB jungtimi ir išsaugomas su MatLab programiniu paketu naudojant suderintą kodą, kuris komunikuoja su oscilografu (206) ir išsaugo gautus duomenis kompiuteryje (207).• The amplified signal and signal parameters including resonant frequency and amplitude are transmitted by the oscilloscope (206) to a computer (207) via a serial USB connection and stored with the MatLab software using a harmonized code that communicates with the oscilloscope (206) and stores the received data on the computer (207). .

• Kompiuteryje (207) MatLab programiniame pakete atliekamas surinktų signalo duomenų apdorojimas, analizė ir pagal signalo dinamiką nustatomos tikslinių dujų (šio eksperimento atveju - anglies dvideginio CO2 ir sieros dvideginio SO2) koncentracijos tiriamame mišinyje.• A computer (207) in the MatLab software package processes and analyzes the collected signal data and determines the concentrations of the target gases (in the case of this experiment, carbon dioxide CO 2 and sulfur dioxide SO 2 ) in the test mixture.

Matavimo duomenų apdorojimas ir rezultatai. Eksperimento rezultatai yra siejami su kryžmiškai-selektyviu dujų aptikimu ir matavimu realiame laike, pagal paveikslą Pav. 4, (400). Buvo atlikti eksperimentai su sausais azoto N2, anglies dvideginio CO2 ir sieros dvideginio SO2 dujų mišiniais, siekiant nustatyti polimeru mPEI funkcionuoto CMUT jutiklio membranų rezonanso dažnio pokyčius ir osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudės pokyčius. Pirmiausia, bandymo kamera buvo išvėdinta pastovaus greičio sauso azoto N2 srautu, kad CMUT jutikliai pasiektų pusiausvyros būseną. Pradinis rezonanso dažnis (401) ir signalo amplitudė (405) buvo išmatuoti realiuoju laiku ir eksperimento metu nuolat registruojami. Kai j kamerą buvo įleista CO2 dujų, dėl silpnos mPEI ir CO2 molekulių sąveikos, buvo stebimas rezonanso dažnio poslinkis Δί2-Δίι (402), be akivaizdžių aptinkamų varžos spektrų pokyčių (406). Kai į mišinį buvo įleista SO2 dujų, dėl stiprios cheminės mPEI ir SO2 molekulių sąveikos, rezonanso dažnio ir signalo amplitudės pokyčiai buvo pastebėti tuo momentu (408), kai buvo įvestos SO2 dujos ir jos reagavo su mPEI sluoksniu, kaip parodyta paveiksle 4. Šis reiškinys susijęs su silpna CO2 ir mPEI sąveika, nekeičiančia fizikinės polimero struktūros, tačiau funkcinio polimero (mPEI) stipri cheminė sąveika su SO2 molekulėmis keičia polimero plėvelės savybes, ir tai diagramoje parodo išlikęs rezonansinio dažnio pokytis (404), bandymo kameroje nebelikus SO2 dujų (409). Šie pokyčiai padidina virpesių slopinimo koeficientą ir membranos masę, o tai savo ruožtu lemia rezonanso dažnio poslinkį ir osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudės sumažėjimą (404), kurį galima pamatyti 4 paveiksle.Measurement data processing and results. The results of the experiment are related to cross-selective gas detection and real-time measurement, as shown in Fig. 4, (400). Experiments were performed with dry mixtures of nitrogen N 2 , carbon dioxide, CO2, and sulfur dioxide SO2 to determine changes in the membrane resonance frequency of the polymer-mPEI-functional CMUT sensor and changes in the amplitude of the oscillator output signal. First, the test chamber was vented with a constant flow of dry nitrogen N2 to bring the CMUT sensors to equilibrium. The initial resonance frequency (401) and signal amplitude (405) were measured in real time and recorded continuously throughout the experiment. When CO2 gas was introduced into the chamber due to the weak interaction of mPEI and CO2 molecules, a resonance frequency shift Δί 2 –Δίι was observed (402), with no obvious detectable changes in the resistance spectra (406). When SO 2 gas was introduced into the mixture, changes in the resonance frequency and signal amplitude due to the strong chemical interaction between mPEI and SO 2 molecules were observed at the time SO 2 gas was introduced and reacted with the mPEI layer, as shown in Figure 4. This phenomenon is related to the weak interaction of CO 2 and mPEI, which does not change the physical structure of the polymer, but the strong chemical interaction of the functional polymer (mPEI) with SO2 molecules changes the polymer film properties, as shown by the 2 gas (409). These changes increase the oscillation coefficient and the membrane mass, which in turn results in a shift in the resonant frequency and a decrease in the amplitude of the oscillator output signal (404), which can be seen in Figure 4.

Šiame išradime yra svarbu tai, kad paveiksle 4 pavaizduoti rezultatai rodo, jog įvertinus tiek rezonanso dažnio, tiek elektromechaninio impedanso pokyčius, kurie tiesiogiai nulemia osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudę, galima aptikti dviejų „rūgščių“ dujų, SO2 ir CO2, mišinį, kiekvieno iš jų poveikį atskirti ir atmesti.Importantly, in the present invention, the results shown in Figure 4 show that a mixture of two "acid" gases, SO 2 and CO 2 , can be detected in each of the separate and rule out their effects.

Taip pat, šiame išradime atlikti eksperimentai su gravimetrinio jutiklio funkcinėmis dangomis ir skirtingomis dujomis rodo, kad membranos (107) rezonansinis dažnis gali keistis ne tik mažėjimo, bet ir didėjimo kryptimi. Dėl specifinės sąveikos tarp dujų molekulių ir funkcinės dangos ne tik membranos masė rnm padidėja papildoma mase ma, tačiau ir gali pasikeisti ir membranos su funkcine danga elastingumo modulis km papildomu dydžiu ke arba sumažėti slopinimo koeficientas, todėl membranos rezonansinis dažnis Frez gali ir padidėti, pagal formulę:Also, the experiments performed in the present invention with the functional coatings of the gravimetric sensor and the different gases show that the resonant frequency of the membrane (107) can change not only in the direction of decrease but also in the direction of increase. Due to the specific interaction between the gas molecules and the functional coating is not only on the membrane weight rn in increased additional mass m a, but may change the membrane with the functional coating having an elasticity modulus k m additional amount k m or decrease the damping ratio, and membrane resonance frequency F res can and increase, according to the formula:

F —F -

Tai pastebima matuojant ne vien membranos rezonansinį dažnį (Frez), bet ir rezonanso kokybę (Q) ar osciliatoriaus išėjimo signalo amplitudę, kurią sąlygoja membranos masė mm bei slopinimo koeficientas bapi, savo dydžiu priklausantis nuo matavimo aplinkos faktorių, tokių kaip temperatūra, slėgis ir drėgmė.This is observed by measuring not only the resonant frequency of the membrane (F re z) but also the resonance quality (Q) or the amplitude of the oscillator output signal due to the membrane mass m m and the damping factor b ap i, depending on the measurement environment factors such as temperature, pressure and humidity.

<2 = 2π/0^apt<2 = 2π / 0 ^ apt

Naudojant CMUT funkcines dangas ir tiriant skirtingas dujas, galimi šių dviejų parametrų Frez ir Q dinaminių pokyčių deriniai. Dinaminių pokyčių diferencijavimas galimas pagal bet kurio parametro teigiamą pokytį (+AFrez, +AQ), neigiamą pokytį (AFrez, -AQ) arba pokyčio nebuvimą (AFrez=0, AQ=0) - taip gaunamos 8 nenulinių pokyčių kombinacijos, leidžiančios identifikuoti skirtingus dujinius reagentus arba/ir jų būsenas. Tokiu būdu, galima kryžmiškai selektyviai atskirti dėl skirtingų dujų sąveikos įvykusius šių parametrų pokyčius ir juos atmesti.Combinations of the dynamic changes of these two parameters F rez and Q are possible using CMUT functional coatings and investigating different gases. Differentiation of dynamic changes is possible according to the positive change (+ AF rez , + AQ), negative change (AFrez, -AQ) or no change (AF re z = 0, AQ = 0) of any parameter - thus 8 combinations of non-zero changes are obtained, allowing identify different gaseous reagents and / or their states. In this way, changes in these parameters due to different gas interactions can be cross-selectively separated and rejected.

Registruojant CMUT jutiklio signalo skirtumus įvairiose dujų koncentracijose ir aplinkos sąlygomis, taip pat galima sudaryti tikslinių dujų ir funkcinės dangos sąveikos etalonines charakteristikas, pagal kurias vėliau galima aptikti ir matuoti tikslinių dujų koncentraciją nežinomos sudėties dujų mišinyje. Tokios charakteristikos pavyzdys pavaizduotas Pav. 5 paveiksle, ir jis parodo, kaip kinta CMUT membranos (107), padengtos mPEI polimero sluoksniu, rezonansinis dažnis Frez, priklausomai nuo tiriamame dujų mišinyje esančių anglies dvideginio CO2 koncentracijos (501) ir sieros dvideginio SO2 koncentracijos (502), esant aplinkos temperatūrai 23°C. Šios charakteristikos (501) ir (502) rodo, kad CO2 ir SO2 sąveikos su funkcine danga skiriasi viena nuo kitos, ir pagal šiuos sąveikų skirtumus, CMUT signalo dinaminių pokyčių apdorojimo bei palyginimo su etaloninėmis charakteristikomis būdu, galima įvertinti tikslinių dujų koncentraciją tiriamame mišinyje.By recording the differences in the CMUT sensor signal at different gas concentrations and ambient conditions, reference characteristics of the target gas and the functional coating can also be established, which can then be used to detect and measure the target gas concentration in a gas mixture of unknown composition. An example of such a characteristic is shown in Figs. Figure 5 shows the resonant frequency F re z of the CMUT membrane (107) coated with the mPEI polymer layer as a function of the concentration of carbon dioxide CO2 (501) and the concentration of sulfur dioxide SO 2 (502) in the test gas mixture in the presence of to an ambient temperature of 23 ° C. These characteristics (501) and (502) show that the interactions of CO 2 and SO 2 with the functional coating differ from each other, and from these interactions, the concentration of the target gas in the study can be estimated by processing and comparing the dynamic changes of the CMUT signal with the reference characteristics. in a mixture.

Aprašytas įgyvendinimo variantas ir eksperimentas su SO2 ir CO2 dujomis yra šio išradimo sudedamoji dalis, bet jis neturi riboti išradimo apimties. Išradimo aspektai, tokie kaip iminų grupės polimerų panaudojimas membranos funkciniame sluoksnyje, kryžminis CMUT jutiklio selektyvumas skirtingoms tikslinėms dujoms, bei jų aptikimas ir koncentracijos nustatymas CMUT jutiklio signalo dinaminių parametrų analizės būdu - gali būti naudojamas ir kitų tikslinių dujų aptikimo ir koncentracijos matavimo atvejais. Taip pat, aprašyti CMUT jutiklio signalo skaitmeninio apdorojimo metodai yra šio išradimo sudedamoji dalis, bet neturi riboti išradimo apimties: išradime gali būti panaudota ir daugiau kitų įvairių skaitmeninio signalų apdorojimo metodų ir algoritmų, kurie leidžia padidinti vieno CMUT jutiklio su funkcine danga kryžminį selektyvumą skirtingoms tikslinėms dujoms ir jų koncentracijoms mišinyje.The described embodiment and experiment with SO 2 and CO 2 gases are an integral part of the present invention, but are not intended to limit the scope of the invention. Aspects of the invention, such as the use of imine group polymers in the membrane functional layer, the cross-selectivity of the CMUT sensor for different target gases, and their detection and concentration by analyzing the dynamic parameters of the CMUT sensor signal, can be used for other target gas detection and concentration measurements. Also, the described methods of digitally processing a CMUT sensor signal form an integral part of the present invention, but are not intended to limit the scope of the invention: a variety of other digital signal processing methods and algorithms can be used to increase the cross-selectivity of a single CMUT sensor with different coatings. gases and their concentrations in the mixture.

Claims (9)

IŠRADIMO APIBRĖŽTISDEFINITION OF THE INVENTION 1. Gravimetrinis dujų jutiklis apimantis1. Gravimetric gas sensor comprising - bent vieną talpinį mikromontuojamą ultragarsinį keitiklį (CMUT) (101) su membrana (107), apatiniu pagrindo elektrodu (109) ir viršutiniu membranos elektrodu (104),- at least one capacitive micromountable ultrasonic transducer (CMUT) (101) with a membrane (107), a lower base electrode (109) and an upper membrane electrode (104), - CMUT keitiklio membraną (107) dengiantį funkcinio polimero sluoksnį (105),- a layer of functional polymer (105) covering the membrane (107) of the CMUT converter, - elektrinę CMUT keitiklio valdymo schemą, oscilografą ir kompiuterį matavimo duomenims saugoti ir apdoroti (200), besiskiriantis tuo, kad CMUT keitiklio membraną (107) dengiantis funkcinio polimero sluoksnis (105) yra iminų grupės polimeras, skirtas tiksliai matuoti dujų koncentracijas su vienu CMUT keitikliu (101) ar keliais lygiagrečiai sujungtais to paties tipo CMUT keitikliais (101).- an electrical CMUT converter control circuit, an oscilloscope and a computer for storing and processing measurement data (200), characterized in that the functional polymer layer (105) covering the CMUT converter membrane (107) is an imine group polymer for accurate measurement of gas concentrations with a single CMUT converter (101) or several CMUT converters of the same type connected in parallel (101). 2. Dujų jutiklis pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad CMUT keitiklis (101) turi matricos (301) sudarytos iš daugiau kaip vieno CMUT elemento topologiją, kurioje CMUT elementų (101) elektrodai yra sujungti lygiagrečiai.A gas sensor according to claim 1, characterized in that the CMUT converter (101) has a matrix (301) consisting of a topology of more than one CMUT element, in which the electrodes of the CMUT elements (101) are connected in parallel. 3. Dujų jutiklis pagal 1 punktą besiskiriantis, tuo kad CMUT jutiklio elementų membranos (107) yra padengtos funkciniu polimeru (105) centrifugavimo būdu.3. The gas sensor of claim 1, wherein the membranes (107) of the CMUT sensor elements are coated with the functional polymer (105) by centrifugation. 4. Dujų jutiklis pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad jame naudojamas kryžminis funkcinio polimero (105) selektyvumas bent dviems skirtingoms tikslinėms dujoms tiriamame dujų mišinyje.4. The gas sensor of claim 1, wherein the cross-selectivity of the functional polymer (105) for at least two different target gases in the test gas mixture is used. 5. Dujų jutiklis pagal 4 punktą besiskiriantis tuo, kad tiriamame dujų mišinyje tikslinės dujos aptinkamos ir jų koncentracija nustatoma CMUT signalo dinaminių parametrų membranos (107) rezonanso dažnio Frez ir rezonanso kokybės Q analizės būdu (400).5. The gas sensor of claim 4, wherein the target gas is detected in the test gas mixture and its concentration is determined by analyzing the resonant frequency F rez and the resonant quality Q of the dynamic parameters of the CMUT signal membrane (107). 6. Dujų jutiklis pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad funkcinis polimeras (105) yra iminų grupės polimeras metiliuotas polietileniminas (mPEI).6. The gas sensor of claim 1, wherein the functional polymer (105) is an imine group methylated polyethyleneimine (mPEI). 7. Dujų jutiklis pagal 6 punktą b e s i s k i r i a n t i s, tuo kad yra naudojamas anglies dvideginio koncentracijai dujų mišinyje matuoti (402).A gas sensor according to claim 6, characterized in that it is used to measure the concentration of carbon dioxide in the gas mixture (402). 8. Dujų jutiklis pagal 6 punktą b e s i s k i r i a n t i s, tuo kad yra naudojamas sieros dvideginio koncentracijai dujų mišinyje matuoti (404).A gas sensor according to claim 6, characterized in that a sulfur dioxide concentration is measured in the gas mixture (404). 9. Dujų jutiklis pagal 6 punktą b e s i s k i r i a n t i s, tuo kad yra naudojamas aptikti sieros dvideginį ir anglies dvideginį ir matuoti jų koncentraciją dujų mišinyje (403).A gas sensor according to claim 6, characterized in that sulfur dioxide and carbon dioxide are used to measure their concentration in the gas mixture (403).
LT2019061A 2019-08-14 2019-08-14 Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer LT6821B (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2019061A LT6821B (en) 2019-08-14 2019-08-14 Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer
PCT/IB2020/057535 WO2021028827A1 (en) 2019-08-14 2020-08-11 Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2019061A LT6821B (en) 2019-08-14 2019-08-14 Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LT2019061A LT2019061A (en) 2021-02-25
LT6821B true LT6821B (en) 2021-05-25

Family

ID=72613944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LT2019061A LT6821B (en) 2019-08-14 2019-08-14 Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer

Country Status (2)

Country Link
LT (1) LT6821B (en)
WO (1) WO2021028827A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112649597A (en) * 2019-10-10 2021-04-13 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 Sensor and detection device using same
DE102021126505A1 (en) * 2021-10-13 2023-04-13 Infineon Technologies Ag GAS SENSOR CONTAINING AN ULTRASONIC RESONATOR AND USE FOR THE DETECTION OF GASES

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7074634B2 (en) 2001-05-09 2006-07-11 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Surface micromachining process for manufacturing electro-acoustic transducers, particularly ultrasonic transducers, obtained transducers and intermediate products
US20070180916A1 (en) 2006-02-09 2007-08-09 General Electric Company Capacitive micromachined ultrasound transducer and methods of making the same
WO2010109363A2 (en) 2009-03-23 2010-09-30 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Gas sensing using ultrasound
US7871569B2 (en) 2003-12-30 2011-01-18 Intel Corporation Biosensor utilizing a resonator having a functionalized surface
DE102009040052A1 (en) 2009-09-03 2011-03-10 Siemens Aktiengesellschaft Carbon dioxide sensor
US9366651B2 (en) 2013-07-03 2016-06-14 Matrix Sensors, Inc. Array of sensors with surface modifications
CN107151864A (en) 2017-05-08 2017-09-12 西安交通大学 Sensitive function layer preparation method based on CMUTs resonant mode biochemical sensors
WO2019032938A1 (en) 2017-08-11 2019-02-14 North Carolina State University Optically transparent micromachined ultrasonic transducer (cmut)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9857243B2 (en) * 2014-03-18 2018-01-02 Matrix Sensors, Inc. Self-correcting chemical sensor

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7074634B2 (en) 2001-05-09 2006-07-11 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Surface micromachining process for manufacturing electro-acoustic transducers, particularly ultrasonic transducers, obtained transducers and intermediate products
US7871569B2 (en) 2003-12-30 2011-01-18 Intel Corporation Biosensor utilizing a resonator having a functionalized surface
US20070180916A1 (en) 2006-02-09 2007-08-09 General Electric Company Capacitive micromachined ultrasound transducer and methods of making the same
WO2010109363A2 (en) 2009-03-23 2010-09-30 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Gas sensing using ultrasound
CN102362178A (en) 2009-03-23 2012-02-22 皇家飞利浦电子股份有限公司 Gas sensing using ultrasound
US8689606B2 (en) 2009-03-23 2014-04-08 Koninklijke Philips N.V. Gas sensing using ultrasound
DE102009040052A1 (en) 2009-09-03 2011-03-10 Siemens Aktiengesellschaft Carbon dioxide sensor
WO2011026836A1 (en) 2009-09-03 2011-03-10 Siemens Aktiengesellschaft Carbon dioxide sensor
US9366651B2 (en) 2013-07-03 2016-06-14 Matrix Sensors, Inc. Array of sensors with surface modifications
CN107151864A (en) 2017-05-08 2017-09-12 西安交通大学 Sensitive function layer preparation method based on CMUTs resonant mode biochemical sensors
WO2019032938A1 (en) 2017-08-11 2019-02-14 North Carolina State University Optically transparent micromachined ultrasonic transducer (cmut)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DARIUS VIRŽONIS IR KITI.: "Resonant gravimetric immunosensing based on capacitive micromachined ultrasound transducers", MICROCHIMICA ACTA, 2014

Also Published As

Publication number Publication date
LT2019061A (en) 2021-02-25
WO2021028827A1 (en) 2021-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6523392B2 (en) Microcantilever sensor
Vasagiri et al. A survey of MEMS cantilever applications in determining volatile organic compounds
US7168294B2 (en) Embedded piezoelectric microcantilever sensors
US6360585B1 (en) Method and apparatus for determining chemical properties
CN110057907B (en) CMUT (capacitive micromachined ultrasonic transducer) for gas sensing and preparation method
KR100975010B1 (en) Physical Sensor Using Multi-Size Piezoelectric Microcantilever Resonator Array and Its Manufacturing Method
US8349611B2 (en) Resonant sensors and methods of use thereof for the determination of analytes
US20150011428A1 (en) Array of Sensors with Surface Modifications
US8424370B2 (en) Liquid analysis using capacitative micromachined ultrasound transducers
JP2005528629A5 (en)
US20150177196A1 (en) Differential Humidity Sensor
US7726175B2 (en) Embedded piezoelectric microcantilever sensors
Cunningham et al. Design, fabrication and vapor characterization of a microfabricated flexural plate resonator sensor and application to integrated sensor arrays
US7335336B1 (en) Sensor array using lateral field excited resonators
LT6821B (en) Gas sensor with capacitive micromachined ultrasonic transducer structure and functional polymer layer
US20140364325A1 (en) Array of Sensors Functionalized with Systematically Varying Receptor Materials
US9140668B2 (en) Device and method for detecting at least one substance
Abedinov et al. Chemical recognition based on micromachined silicon cantilever array
EP1531731B1 (en) Embedded piezoelectric microcantilever sensors
CN102608172A (en) Film bulk acoustic galloping resonance biochemistry sensor with direct-current electrodes
US20060183165A1 (en) Combination of chemical differentiators and their applications in mass sensing-based chemical sensor systems
Kimura et al. Detection of volatile organic compounds by analyses of polymer-coated quartz crystal microbalance sensor arrays
Baiz et al. Quartz Crystal Microbalance a Powerful Technique for Nanogram Mass Sensing
JP2005134326A (en) Mass sensor
CN202631471U (en) Film bulk acoustic wave resonance biochemical sensor with direct-current electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Patent application published

Effective date: 20210225

FG9A Patent granted

Effective date: 20210525

MM9A Lapsed patents

Effective date: 20220814