一种正交融合结构声表面波一氧化碳气体传感器的制作方法

本发明涉及传感器的技术领域，具体涉及一种正交融合结构声表面波一氧化碳气体传感器。

背景技术：

一氧化碳气体为无色、无味、剧毒、易爆炸的气体，且在厂矿和家庭生活中广泛存在，若不能对其进行精确检测或者报警将会给人民的生活或者工业生产造成巨大的损失。常见的一氧化碳气体传感器大都具有敏感温度高、耗能大、测量精度较低、无法常温下测量等缺点。

技术实现要素：

为了解决了传统声表面波传感器采用单延迟线或者平行双延迟线结构无法理想的克服温度、湿度、压力等环境干扰对敏感精度的影响，传统一氧化碳传感器的敏感结构材料敏感温度较高带来的高耗能和安全隐患，声表面波传感器的物理误差补偿方法精度较低等技术问题，本发明提供了一种正交融合结构声表面波一氧化碳气体传感器，可实现对一氧化碳气体的常温下敏感、高精度测量和智能误差补偿，实现了声表面波一氧化碳气体传感器的云测试通信。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种正交融合结构声表面波一氧化碳气体传感器，包括声表面波器件和智能控制模块，所述声表面波器件与频率测量装置相连接，智能控制模块通过数据采集处理单元分别与温度传感器、湿度传感器、压力传感器、频率测量装置相连接，智能控制模块分别与神经网络误差补偿单元、云通信模块相连接；所述声表面波器件包括YZ切铌酸锂的基底，基底上蒸镀一层ZnO保护层，ZnO保护层上蒸镀、刻蚀有相互正交的两条声表面波延迟线；两条声表面波延迟线相交处的正方形区域设有一氧化碳敏感膜，一氧化碳敏感膜为掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料。

所述掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料的成分ZnO:An₂O₃:聚苯胺单体量的比为1:3:500，其制备方法为：在25-40摄氏度之间，将混合溶液放置在容器中采用电磁搅拌，充分聚合反应72小时以上，得到带有短链网状结构的聚苯胺纳米敏感材料。

所述声表面波延迟线包括叉指换能器和反射栅，叉指换能器位于声表面波延迟线的两端，反射栅位于一氧化碳敏感膜与叉指换能器之间；反射栅的两端引线通过匹配网络与放大电路相连接，每条声表面波延迟线上的反射栅组成一个声表面波检测通道，两个声表面波检测通道与频率测量装置的混频器相连接。

与现有技术相比，本发明具有：（1）通过基于正交融合结构的声表面波器件，实现对声表面波敏感中易于受到温、湿度、气压等环境干扰影响的硬件补偿，比声表面波传感中常用的差动结构有更高的补偿精度；（2）掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料作为一氧化碳敏感膜，具有价格低廉、市场普通化工原料、制备工艺简单、不需特殊的制备器皿和工艺即可制得；常温下敏感，可实现-15摄氏度至85摄氏度对一氧化碳气体的高灵敏度敏感；材料老化慢，自然风化下，材料有效敏感寿命可达3年；（3）神经网络误差补偿单元采用基于奇异最小二乘和混沌神经网络进行温度补偿，可实现对传感器敏感环境中温度、湿度和压力等引入的误差进行智能补偿；（4）云通信模块用于与远端测试服务器通信，可接收远端控制中心的控制和调控信息，也可组建传感器测试云，可大大提高传感器的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的声表面波器件的结构示意图。

图3为本发明的频率、压力、温度、湿度信号测量结构示意图。

图4为本发明的测试云体系结构和运行图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种正交融合结构声表面波一氧化碳气体传感器，包括声表面波器件和智能控制模块，所述声表面波器件与频率测量装置相连接。智能控制模块基于ARM芯片LPC2210实现对整个装置的控制。智能控制模块通过数据采集处理单元分别与温度传感器、湿度传感器、压力传感器、频率测量装置相连接，智能控制模块分别与神经网络误差补偿单元、云通信模块相连接。声表面波器件可实现对聚苯胺敏感膜质量和电导率变化的检测，声表面波器件包括128°-YZ切铌酸锂的基底，基底上蒸镀一层ZnO保护层，ZnO保护层为一层C轴晶向的ZnO保护层。ZnO保护层上蒸镀、刻蚀有相互正交的两条声表面波延迟线。两条声表面波延迟线的结构、参数完全相同。声表面波延迟线使声表面波器件为正交融合声表面波敏感结构，用于提高声表面波器件的敏感精度，降低温湿度噪声1个数量级。正交融合声表面波敏感结构实现对气压、温湿度的一次误差补偿。声表面波器件的中心频率（设计值）为310MHz；输入/输出换能器为80对/双指；孔径为400波长；换能器中心间距为400波长；反射栅阵指条数为300条；金电极为110nm；光刻完后溅射厚度为3μm的ZnO保护层；插损小于20dB；无负载值Q大于13800。

两条声表面波延迟线垂直正交处组成正方形区域，正方形区域上设有一氧化碳敏感膜，为一氧化碳敏感材料的覆盖区域，一氧化碳敏感膜为掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料。掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料的成分ZnO:An₂O₃:聚苯胺单体量的比为1:3:500，其制备方法为：在25-40摄氏度之间，将混合溶液放置在容器中采用电磁搅拌，充分聚合反应72小时以上，得到带有短链网状结构的聚苯胺纳米敏感材料。带有短链网状结构的掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料可实现对一氧化碳气体的常温下高敏感性，引起聚苯胺纳米敏感膜质量和电导率的变化，且有极好的敏感选择性。得到的掺杂有ZnO和An₂O₃的聚苯胺纳米敏感材料涂在声表面波器件上的两条声表面波延迟线的正交路径上，用于实现-15摄氏度至85摄氏度对一氧化碳气体的高灵敏度敏感，精度为0-3000ppm。

如图2所示，声表面波延迟线包括叉指换能器和反射栅，叉指换能器为金蒸镀刻蚀工艺得到。叉指换能器位于声表面波延迟线的两端，反射栅位于一氧化碳敏感膜与叉指换能器之间；反射栅的两端引线通过匹配网络与放大电路相连接，每条声表面波延迟线上的反射栅组成一个声表面波检测通道，两个声表面波检测通道与频率测量装置的混频器相连接。

温度传感器、湿度传感器和压力传感器设置在一氧化碳敏感膜的周围。温度传感器用于测量周围环境的温度，湿度传感器用于测量周围环境的湿度，压力传感器用于测量周围环境的压力，通过数据采集处理单元为智能控制模块提供有效的温度、湿度和压力的数据信息，是实现整个装置温度、湿度和压力综合误差补偿的一个重要环节。温度传感器为数字温度传感器DS18B20，湿度传感器为霍尼韦尔HIH-4000-003 HIH3610 湿度传感器，压力传感器为ASDX015A24R压力传感器，温度传感器、湿度传感器和压力传感器分别实现对对周围环境的温度、湿度、压力的检测。为了本发明具有测量速度快、精度高、可靠性好、智能、体积小等的具体要求，频率测量装置选择8254计数器和MB506分频器，通过MB506分频器将频率信号分频、三个8254计数器进行分别计数实现对频率的测量。如图3所示，本发明的频率测量方法为：

（1）数据采集处理单元给出读取开启信号（测频允许），此时计数器不开始计数。当被测频率信号上升沿到来时，测量计数器、标频信号计数器、分频计数器三个计数器的计数开始分别对各自的信息进行计数。

（2）当分频信号的第一个上升沿到来时，关闭标频信号计数器，读取标频信号计数器的值N₁。为

（3）数据采集处理单元给出读取关闭信号后，实际读取使能要等到被测信号的下一个上升沿到来时关闭；读取测量计数器的值N₂和分频计数器的值N₃；开启标频计数器，当分频信号的上升沿到来时，关闭标频信号计数器，读取标频信号计数器的值N₄。

（4）根据可计算频率量的周期T ，即可实现对频率f 的测量。其中，T 为被测信号周期，为分频信号周期，为基频信号周期。

神经网络误差补偿单元基于奇异最小二乘法和混沌神经网络实现误差补偿，主要对传感器敏感环境中检测到的温度、湿度和压力等引入的误差进行智能补偿，可智能补偿温度、湿度和压力对聚苯胺敏感材料制成的一氧化碳敏感膜和声表面波器件产生的噪声误差，提高测量精度。混沌神经网络的训练和仿真是在MATLAB7.0及其高级环境下，通过神经网络工具箱和相应的程序实现的。当神经网络训练完成后，返回训练后的权值、循环训练的总数和最终误差。当混沌神经网络在PC机上训练好后，提取网络各个层的权值，按照适当的数据组织方式存入传感器的微处理器的Flash存储器中，这时就可以根据混沌神经网络的权重和算法，来实现其对温度、压力、湿度的智能补偿。

信号调理和控制模块部分可实现对声表面波输出频率、温度、湿度、压力信号的提取和调理，如图3所示。数据采集处理单元将采集的信号传送至控制信号，控制信号产生基准信号后发送给三个计数器，三个计数器将测量的计数值传送至数据采集处理单元，从而实现对对声表面波输出频率、温度、湿度、压力信号的提取和调理。

云通信模块基于pSOA技术和网络虚拟机技术实现声表面波物理测试资源虚拟化为web服务资源，利用实时发布/订阅算法构建嵌入式云计算的基础设施，如图4所示。云通信模块提供云通信接口，主要用于与远端测试服务器通信，可接收远端控制中心的控制和调控信息，也可组建传感器测试云平台。

使用时，长按电源键，系统开机，系统扫描传感器的所有存储器，将所有的预置信息读入数据存储器；初始化各个外围接口单元等；声表面波器件上的一氧化碳敏感膜感测外界一氧化碳气体浓度变化，利用温度传感器、湿度传感器、压力传感器分别测量环境的温度、湿度、压力的数值，并将测量得到的一氧化碳浓度（测量得到的频率值经标定得到）、温度、湿度、压力值通过数据采集处理单元传送至智能控制模块，导入神经网络误差补偿单元进行温度、湿度、压力的智能误差补偿；云通信模块基于pSOA技术和虚拟机技术实现将声表面波物理测试资源虚拟化为web服务资源，利用实时发布/订阅算法构建嵌入式云计算的基础设施，进而实现与远端测试服务器通信，可接收远端控制中心的控制和调控信息，也可组建传感器测试云，可大大提高传感器的应用范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。