Введение к работе
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 ишдэення 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 работы 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 к экономики г. Дрездена (Германия).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка новой методики оптимизации конструкции встречно-штыревых преобразователей ПАВ для интегральных датчиков кон-/центрзции 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 инте
гральных 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 кошіентраций от 0.02 до 5 %о (от 20 до 5000 ррт), рабочих температур до 120С, 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 реагирующе
го 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-конструкторскях 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 положення 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 10'3 %о в диапазоне определяемой концентрации 0.02 - 5 %о с термоустойчивосгью 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 (Saarbracken, 1995; Bonn, 1996; Kiel, 1997; Zurich, 2998); 40-м 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.
