Бул изилдөө, газ курамыни ультраүндүү толкунларын таралуу убактысы ве генлигиндеки дегишимлерден белирлемейи амачлайан компакт бир CMUT газ аныктоо платформау гелиштирмиштир. Систем, бирбирине бакан бир өткөргүч ве бир кабыл алуучу сыйымдуулук микромеханикалык ультраүндүү өзгөрткүчден олушмактадыр. Верижи CMUT’ун олуштурдугу кыса ультраүндүү сигнал, 6 mm узунлугундаки контроллү газ йолундан гечерек кабыл алуучу CMUT’а улашмактадыр. Газ курамы дегиштигинде сесин таралуу ылдамдыгы ве акустикалык начарлоо да дегиштиги үчүн алынан сигналдын учуу убактысы менен жыштык спектриндаки генлиги дегишмектедир.

Өнермененн платформаун пайдубал йенилиги, дагы мурун функция генератору, жогорку чыңалуу булагы, кең тилкелүү гүч йүкселтежи, осциллоскоп ве бторымсыз алдынкы күчөткүч геректирен лаборатория дүзенинин маанилүү бөлүмлерини тек бир көчмө електроник системаде бириктирүүсидир. Систем; 5 V ширетүүтан болжол менен 100 V үретен бир жогорку чыңалуу өзгөрткүчү, GaN трансистөрлү кең тилкелүү өткөргүч йүкселтежи, трансимпеданс кабыл алуучу девреси ве еш заманлы толкун өндүрүши менен единим сторлайан Red Pitaya камтылган платформауну ичермектедир.

Компакт прототип болжол менен 250 × 150 × 50 mm бойутунда, 1,9 литре хажминде ве 1 kg массасиндедир. Өнжеки лаборатория дүзени болжол менен 63 литре ве 30 kg олдугундан көлөм болжол менен 33 кат, масса болсо болжол менен 30 кат азалтылмыштыр. Верижи-кабыл алуучу өн уч девресинин кубат керектөөсү 1 W’ын астында, Red Pitaya дâхил топлам система түкетими болжол менен 11 W’тыр. Изилдөөчүлөрын энергия сыйымдуулукси аркылуу йаптыгы теорик хесаба ылайык 5 V ве 10 Ах’лик бир көчмө батарея болжол менен 4,5 саат изилдөө сторлайабилир. Бу убакыт догрудан узак мөөнөттүү батарея сынооийле дегил, болжол менен 50 Wh энергия сыйымдуулуксинин кубат керектөөсүне бөлүнмесийле эсептелген.

Денейлерде H₂, CO₂, CH₄ ве He газлары азотла карыштырылмыш; хер газ үчүн %4, %3, %2 ве %1 концентрация басамаклары колдонулган. Өлчүмлер 1,5 MHz’де ве топлам 100 cm³/мүнөт газ агымшында герчеклештирилмиштир. Учуш мөөнөтү дегишими менен спектр амплитудасы дегишими бирликте маанилендирилдигинде дөрт газын ΔA–ΔToF дүзлеминде ар түрдүү догрултуларда мененрледиги гөрүлмүштүр. Бу табылга, системаин контроллү шарттарда газ түрү ве концентрация дегишимлерине дуйарлы олдугуну көрсөтөт. Ошентсе да изилдөө бир классификация алгоритмасы, аныктоо чеги, белгисиздик эсеби вейа бторымсыз сокур тест сунмамактадыр.

Систем газла реакцияйе гирен өзел бир химиялык алгылама капламасына дайанмамактадыр. Бунун йерине газын үн ылдамдыгы ве алсызлама гиби физикалык өзгөчөлүктөрини өлчмектедир. Бу йаклашым, белирли колдонмоларда каплама жашланмасы вейа химиялык сечижилик маселеларыны азалтма потенциалы ташымактадыр. Бирок изилдөөдө химиялык сенсөрлерле догрудан узак мөөнөттүү салыштыруу түзүмлмадыгындан дагы дүшүк дрейф, дагы узун өмүр вейа дагы йүксек ишенимилирлик хенүз эксперименттик катары канытланмыш дегилдир.

Түркия жагынан: Систем; Түркияда суутек өндүрүш ве деполама алттүзүмлары, догал газ тесислери, бийогаз колдонмолары, кимйа ендүстриси, лаборатория газ хатлары, энергия деполама системалери ве хелйум колдонулган текник тесислерде көчмө качак ве карышым излеме изилдөөларына пайдубал олуштурабилир. Түркияда колдонмо үчүн йерли газ курамлерийле абдан нокталы калибрация, температура ве нем телафиси, хава үчүндеки газларын сынанмасы, дагы дүшүк концентрация тажрыйбалари, электромагниттик шайкештик, титирөө ве эскиртүү сыноолору, капалы алан ве ачык саха денемелери менен жарылуучу чөйрө коопсуздук баалоолери түзүмлмалыдыр. Изилдөөдөн коммерциялык агып чыгуу детектору йетерлилиги, йасал өлчөө догрулугу, жарылуучу чөйрөларда ишенимли кулланым, %0,01 аныктоо чеги вейа билинмейен абданлу газларын отоматик катары танымланабилдиги сонужу чыкарыламаз.

CMUT недир ве газы насыл өлчмектедир?

CMUT, сыйымдуулук микромеханикалык ультраүндүү өзгөрткүч анламына гелир. Хер клетка, сабит бир алт электрод үстүндө булунан абдан инже ве еснек бир зар менен бу ики түзүм арасындаки боштуктан мейдана гелир. Зар ве алт электрод бирликте електриксел бир капаситөр олуштурур.

Изилдөөнүн 3. сайфасындаки Шекил 1, CMUT’ун гөндерме ве алма меканизмасыны кесит гөрүнүмүйле көрсөтөт. Йапыдаки пайдубал катмарлар шунлардыр:

• Алүминйум үст электрод.
• Кремний нитрүр зар.
• Вакум бошлугу.
• Илеткен поликристал кремний алт электрод.
• Кремний диоксит изоляция табакасы.
• Кремний ташыйыжы алтлык.

Гөндерме тартипсында CMUT’а сабит бир туруктуу чыңалуу менен замана бторлы өзгөрмө чыңалуу бирликте уйгуланыр. Електростатик куввет, инже зары титрештирир ве чевредеки газ ортамына ультраүндүү толкун йайылыр. Алма тартипсында гелен акустик басым зары харекет еттирир, клетканин капаситансы дегишир ве бу дегишим електриксел бир агымм катары өлчүлүр.

CMUT’ун туруктуу чыңалууле кутупланмасы, гөндерме ве алма дуйарлылыгыны артырыр. Бирок чыңалуу, зарын алт электрода карарсыз бичимде чекилдиги чөкме вейа пулл-ин сынырына фазала йаклаштырылырса догрусал изилдөө аралыгы ве коопсуздук пайы азалыр. Изилдөөдө өткөргүч ве кабыл алуучунын ар түрдүү чыңалуулерде чалыштырылмасынын недени будур.

Кулланылан CMUT дизмененринин түзүмү

Сенсөр башлыгында йүз йүзе йерлештирилмиш ики өздеш даиресел CMUT дизиси булунмактадыр. Хер дизиде паралел бторланмыш 1.941 каре клетка йер алмактадыр. Хүжрелерин йанал бойуту 32 µm, даиресел еткин ачыклыгын чапы 7 mm ве еткин бет катышы %41’дир.

Изилдөөнүн 3. сайфасындаки Шекил 2(а), үст метал шилтемеларыйла бирбирине бторланмыш каре CMUT клеткаларинин йагымн план сүрөтсүнү; Шекил 2(б) болсо чевресинде електрик шилтеме педлери булунан 7 mm чапындаки даиресел дизийи көрсөтөт.

Табло 1’де клетка аланынын йазымы “32² µм²” анламына гележек бичимде дизилмиш, бирок текст ачыкча клетка кенар узунлугуну 32 µm катары вермиштир. Бу неденле клетка бойутунун 32 µm × 32 µm олдугу анлашылмактадыр.

Газ курамы неден учуу убактысыни ве генлиги дегиштирмектедир?

Верижи CMUT’ун олуштурдугу ультраүндүү толкун, кабыл алуучуйа улашынжайа катар газ ортамында мененрлер. Газын курамы дегиштигинде сесин таралуу ылдамдыгы да дегишебилир. Бу дегишим, сигналдын 6 mm’лик йолу тамамлама мөөнөтүни еткмененр. Изилдөөдө бу чоңлүк учуу убактысы, йани ToF катары адландырылмыштыр.

Газын акустикалык начарлоосы да алынан сигналдын генлигини еткмененр. Бу неденле изилдөөчүлөр тек бир өлчөөе дайанмак йерине ики акустик өзеллиги бирликте кулланмыштыр:

• ΔToF: Өлчүлен учуу убактысынин саф азот реферансына ылайык дегишими.
• ΔA: Сечмененн жыштыктаки FFT генлигинин саф азот реферансына ылайык дегишими.

Ики өзеллигин бирликте кулланылмасы, ошол эле учуу убактысы дегишимине йагымн тепки верен газларын амплитуда давранышыйла айрылабилмеси вейа бунун терсинин түзүмлабилмеси үчүн ек билги сторламактадыр.

Өнжеки лаборатория дүзенинин маселеу нейди?

Изилдөөнүн 4. сайфасындаки Шекил 3, мурунку лаборатория өлчөө зинжирини көрсөтөт. Бу дүзен шунлары ичермектедир:

• Ишлев вейа кейфî толкун үретежи.
• Харижи кең тилкелүү гүч йүкселтежи.
• Бирден фазала жогорку чыңалуу кубат булагы.
• Айры өткөргүч ве кабыл алуучу кутуплама торлары.
• Алыжы өн йүкселтежи.
• Осилоскоп.
• Чок сайыда гүч, сигнал ве топрак шилтемесы.

Бу түзүм изилдөө лабораторияында еснеклик сторласа да болжол менен 63 литре хажме ве 30 kg массайе улашмактадыр. Узун каблолар ве айры жихазларын топрак шилтемелары, алсыз хавадан ултрасон сигналдынде гүрүлтү ве емпеданс уйумсузлугу олуштурабилир. Өлчүмлерин ар түрдүү жихазлар арасында еш заманланмасы ве натыйжаларын саха ортамында елде едилмеси де зорлашмактадыр.

Компакт платформаун генел мимариси

Изилдөөнүн 4. сайфасындаки Шекил 4, лаборатория жихазларынын йерини алан компакт өлчөө зинжирини көрсөтөт. Систем дөрт ана бөлүмден олушмактадыр:

1. Йүз йүзе йерлештирилмиш CMUT өткөргүч ве кабыл алуучу жупи.
2. Верижи ве кабыл алуучу күчөткүчлерини, жогорку чыңалуу өндүрүшини ве кутупламайы ичерен өзел електроник карт.
3. Далга өндүрүши, еш заманлама ве сигнал единими сторлайан Red Pitaya карты.
4. УСБ вейа көчмө батарея аркылуу сторланан 5 V кубат булагы.

Red Pitaya тарафындан олуштурулан дүшүк чыңалуули толкун, өзел өткөргүч девресинде йүкселтмененрек CMUT’а уйгуланмактадыр. Алыжы CMUT’тан гелен абдан кичинекей агымм, трансимпеданс йүкселтежийле чыңалууе дөнүштүрүлмекте ве Red Pitaya’нын ADC’сийле сандыклаштырылмактадыр. Верижи ве кабыл алуучу заманламасынын ошол эле системаден йөнетилмеси, учуу убактысы хесабынын текрарланабилирлигини артырмактадыр.

GaN табанлы өткөргүч йүкселтежи неден колдонулган?

CMUT өткөргүчнин кең бир жыштык диапазонунда дүзгүн синүзоидал соккулерле чалыштырылмасы үчүн жогорку чыңалуудагы ве кең тилкелүүлы бир күчөткүч герекмектедир. Геленексел кремний гүч трансистөрлеринин йүксек параситик капаситансы ве дагы чоң менентим каршылыгы, кичинекей ве йүксек жыштыклы бир девреде сынырлайыжы олабилир.

Изилдөөдө галлий нитрид, йани GaN трансистөрү шу айрыкчари неденийле сечилмиштир:

• Дүшүк менентим каршылыгы.
• Дүшүк Миллер капаситансы.
• Дүшүк капы йүкү ве дүшүк капы сүрме чыңалууи.
• Йүксек жыштык ве жогорку чыңалуу уйумлулугу.
• Гөвде дийоду булунмамасы неденийле гери топарланма йүкүнүн азалмасы.

Бул изилдөөнын диккат чекижи йөнү, GaN елеманынын йайгын ультраүндүү каре толкун анахтарлайыжжылуулук катары дегил, контроллү синүзоидал ишарет үретен соккули бир догрусал күчөткүч катары кулланылмасыдыр. Трансистөр йалнызжа ультраүндүү сокку тартипсында догрусал бөлгеде чалыштырылмакта, соккулер арасында капатылмактадыр. Бөйлеже догрусал изилдөөнүн олуштурабмененжеги жылуулукнма ве статик кубат керектөөсү азалтылмактадыр.

Йаклашык 131 µс’лик еткин пенжере ве 16,5 ms’лик сокку аралыгы кулланылдыгында изилдөө цикли болжол менен %0,8’дир. Изилдөөчүлөр бу кыса изилдөө цикли сайесинде прототипте өзел бир муздаткычйа герек дуймамыштыр. Ошентсе да убакыткли вейа дагы йүксек текрарлама ылдам кулланымда термалдык давраныш ошондой эле догруланмалыдыр.

Верижи толкун бичими неден йумушатылмыштыр?

Стантарт ультраүндүү гөндерижмененр сыклыкла ани кенарлы каре чыңалуу соккулери кулланыр. Бул изилдөө болсо CMUT’у 8 MHz живарындаки резонансынын астында, 0,5–5 MHz кең тилкелүү бөлгесинде чалыштырмактадыр. Ани кенарлы бир сокку, истенмейен резонанс ве гечижи титирөөлери уйарабилир.

Бу неденле гөндермененн синүзоидал сокку Hanning пенжересийле йумушатылмыштыр. Дарбенин башлангыжы ве сону ани дегилдир. Ек А’даки Шекил A3, ар түрдүү контрол чыңалуулеринде йүкселтилмиш толкун бичимлерини көрсөтөт:

• 165 mV дүзейинде девре кесиме йагымн изилдөөкта ве чыкыш бозулмактадыр.
• 215 mV дүзейинде девре рай сынырламасына йаклашмакта ве кырпылма олушмактадыр.
• 190 mV дүзейинде дагы догрусал ве дагы аз бозулмуш бир чыкыш елде едилмектедир.

Ек А, гириштен чыкыша топлам казанжы болжол менен 60 дБ катары билдирмектедир. Бу казанжа ишлемсел йүкселтежин болжол менен 20 дБ’лик салымы да дâхилдир.

Фреканса бторлы йүк еткиси

CMUT електриксел катары капаситиф бир йүк олуштурур. Ек А’даки Шекил A4, ачык девре менен 3,1 нФ, 0,95 нФ ве 0,15 нФ сыйымдуулукли ар түрдүү CMUT йүклеринин өткөргүч казанжыны маанилүү өлчүде дегиштирдигини көрсөтөт. Айны гириш генлиги кулланылдыгында жыштык йүкселдикче чыкышын азалмасы мүмкүндүр.

Шекил A5’те изилдөөчүлөр, гириш генлигини жыштыка ылайык айарлайарак бу дүшүшү чоң өлчүде дүзлештирмиштир. Сабит үйүрште жыштыкла айкын бичимде азалан казанч, жыштыка ылайык айарланмыш үйүрште болжол менен сабит калмыштыр. Бу өзеллик гележекте абдан жыштыклы газ өлчөөү үчүн маанилүүдир; бирок газ тажрыйбаларинде бу абдан жыштыклы ыкма уйгуланмамыштыр.

Алыжы трансимпеданс йүкселтежи

Алыжы CMUT, гелен акустик толкунйы абдан кичинекей бир електрик агыммына дөнүштүрмектедир. Изилдөөдө бу агыммы өлчүлебилир чыңалууе чевирмек үчүн трансимпеданс йүкселтежи колдонулган.

Изилдөөнүн 6. сайфасындаки Шекил 6, кабыл алуучу девресини көрсөтөт. Сечмененн пайдубал гери беслеме компоненттери:

• 1 МΩ гери беслеме каршылыгы.
• 0,2 пФ номинал гери беслеме капаситөрү.
• ПЖБ паразитлери дâхил болжол менен 0,4 пФ еткин гери беслеме сыйымдуулукси.

22 кΩ, 56 кΩ, 110 кΩ ве 1 МΩ каршылыклер каршылаштырылмыштыр. Бүйүк гери беслеме каршылыгы дүшүк мегахертз бөлгесинде дагы йүксек сигнал казанжы сторларкен кулланылабилир бант кеңлигини таралтмактадыр. Күчүк каршылыклер дагы кең тилкелүү сторламакта бирок алынан сигналдын генлигини дүшүрмектедир.

Газ тажрыйбаинин герчеклештирилдиги болжол менен 1,5 MHz үчүн 1 МΩ каршылык, казанч ве бант кеңлиги арасында уйгун денге катары сечилмиштир. Чок жыштыклы бир колдонмода анахтарланабилир гери беслеме каршылыклери вейа ек казанч катлары герекебилир.

5 V’тан болжол менен 100 V насыл өндүрүлгөн?

CMUT’ларын кутупланмасы үчүн болжол менен 70–90 V геректиги хâлде көчмө система йалнызжа 5 V УСБ кайнторыйла бесленмектедир. Бу неденле карт үстүндө айрык елеманлардан олушан йүкселтижи бир ДЖ-ДЖ өзгөрткүч гелиштирилмиштир.

Изилдөөнүн 6. сайфасындаки Шекил 7’де гөстермененн дөнүштүрүжү:

• Бобин.
• Алчак тараф которуу трансистөрү.
• Догрултужу дийот.
• Паралел чыкыш капаситөрлери.
• Герилим сынырлайыжы Зенер диод.
• Кендинден салынымлы ПНП/НПН контрол каты

компоненттеринден олушмактадыр. Йаклашык 100 V чыкышта герекен агымм йалнызжа 2 мА дүзейиндедир.

Дөнүштүрүжү болжол менен 16 kHz’де анахтарланмактадыр. Бу которуу ве хармониклери, алсыз кабыл алуучу сигналдыне карышабмененжек гүрүлтү үретебилир. Ек Б’деки Шекил B1, которуу түйүнүнде 16 kHz пайдубал компонент менен йүксек хармониклери көрсөтөт.

Анахтарлама гүрүлтүсү насыл азалтылмыштыр?

Верижи соккуси башлатылдыгында йүкселтижи дөнүштүрүжү гечижи катары дурдурулмактадыр. Ек Б’деки Шекил B2, дөнүштүрүжү которуусынын өткөргүч ве кабыл алуучу өлчөө пенжереси бойунжа кайболдугуну, өлчөө тамамландыктан кийин йениден башладыгыны көрсөтөт.

Дөнүштүрүжү капалыйкен CMUT’ларын жогорку чыңалууи чыкыш капаситөрлеринде деполанмыш энергияден сторланыр. Дарбе кийинсында чыңалуу дүшер ве дөнүштүрүжү капаситөрлери текрар шарж едер. Шекил B3’е ылайык жогорку чыңалуу хаттынын болжол менен 100 V’а гери дөнмеси үчүн болжол менен 16,5 ms герекмектедир. Бу неденле системаин ен кыса сокку аралыгы 16,5 ms катары сечилмиштир.

Бу чөзүм дүшүк гүрүлтү сторламактадыр бирок единим ылдамдыгыны сынырламактадыр. Даха йүксек агыммлы вейа дагы натыйжалуулукли бир дөнүштүрүжү, йениден шарж мөөнөтүни азалтабилир.

Red Pitaya табанлы гөмүлү өлчөө системаи

Системин дижитал чекирдеги STEMlab 125-14 Gen 2 Red Pitaya картыдыр. Картын DAC ве ADC биримлери 125 МС/s’йе катар үлгүлеме йапабилмектедир. Бу ылдамдык, 0,5–5 MHz толкун бичимлеринин үретилмеси ве алынмасы үчүн йетерли заман чөзүнүрлүгү сторламактадыр.

Изилдөөнүн 6. сайфасындаки Шекил 8, донаным ве йазылым агымшыны көрсөтөт. Темел ылайыквлер шунлардыр:

• Синүзоидал ве Hanning пенжерели өткөргүч соккусинин эсте хазырланмасы.
• Дижитал догрудан синтез йолуйла DAC чыкышында үретилмеси.
• ADC единиминин гөндерме соккусийле еш заманланмасы.
• Геректигинде бирден фазала единимин карт үстүндө орталанмасы.
• Өлчүм маалыматси ве айар билгмененринин UDP аркылуу ана билгисайара гөндерилмеси.
• Python 3 йазылымыйла сигнал иштетүү ве герчек заманлы гөрселлештирме.

UDP, дүшүк протокол йүкү ве кыса гежикме неденийле сечилмиштир. Хер маалымат алкаксине өлчөө индекси ве заман билгиси екленерек убакыткли өлчөөлөрде изленебилирлик сторланмыштыр.

Синйал ишлеме адымлары

Алынан сигналдын анализи шу тартипйла түзүмлмыштыр:

1. Өнжеден танымланмыш заман пенжересинде илк алынан ультраүндүү сигналдын булунмасы.
2. Алынан сигнал менен програмланан гөндерме толкунсы арасында кайчылаш корреляция түзүмлмасы.
3. Кореласйон дышындаки жыштык компоненттеринин ве гүрүлтүнүн азалтылмасы.
4. Hilbert дөнүшүмүйле сигнал кабыгынын чыкарылмасы.
5. Зарфын тепе конумундан учуу убактысынин белирленмеси.
6. Гечерли сигнал бөлгесине FFT уйгуланмасы.
7. Сечмененн уйарма жыштыкындаки спектр амплитудасынин чыкарылмасы.
8. Сонужун саф азот реферансына ылайык фарк катары хесапланмасы.

Учуш мөөнөтү дегишими:

\[ \Delta \mathrm{ToF} = \mathrm{ToF}(n) - \mathrm{ToF}(N_2) \]

Спектрум генлиги дегишими:

\[ \Delta A = H_{\mathrm{FFT}}(n) - H_{\mathrm{FFT}}(N_2) \]

Бурада н гүнжел газ өлчөөүнү, \(Н_2\) болсо саф азот реферансыны ифаде етмектедир. ΔA мутлак бир жутулуу катсайжылуулук дегилдир; сечмененн жыштыктаки алынан FFT генлигинин азот өлчөөүне ылайык фаркыдыр.

Газ агымшы тажрыйбаи

Газ карышымлары Brooks 5850S массасел агымш контролөрлерийле даярдалган. Хер хедеф газ, азотла икили карышым хâлинде сенсөре маалыматлмиштир.

Газ шарттары арасында саф азотла темизлеме ве реферанс өлчөөү түзүмлмыштыр. Бу ишлем, мурунку газдан калан компоненттерин еткисини азалтмак ве жай температура вейа електроник дрейфлери кысмен денгелемек амажыйла колдонулган.

Фреканс өндүрүмдүүлүкы

Изилдөөнүн 9. сайфасындаки Шекил 10, ар түрдүү кабыл алуучу гери беслеме каршылыклери үчүн бүтүн CMUT-өткөргүч-кабыл алуучу зинжиринин жыштык тепкисини көрсөтөт. Тепки, тек бир девре блогуна дегил шу еткмененрин бирлешимине бторлыдыр:

• CMUT өткөргүч дуйарлылыгы.
• CMUT кабыл алуучу дуйарлылыгы.
• Алыжы ве өткөргүч електрониклеринин бант кеңлиги.
• Дүшүк жыштыктаки акустик кырыным.
• Йүксек жыштыктаки хавадан ултрасон алсызламасы.
• Електриксел сыйымдуулук жүклеме.

Систем 0,5–5 MHz аралыгында өлчүлебилир сигнал үретмиштир. Хавадаки пайдубал бант кеңлиги тажрыйбаларинде 5 MHz’е катар сигнал, ек интерполасйон вейа орточо олмадан алынабилмиштир. Газ тажрыйбаинде болсо дагы туруктуу өзеллик чыкарымы үчүн 20 единим орталанмыштыр.

Шекил 11, ар түрдүү меркез жыштыкларында алынан заман сигналдардыни ве спектрларыны көрсөтөт. Ана текст сон панели 4 MHz, сүрөт ачыкламасы 3 MHz катары танымламактадыр. Бу уйушмазлык дүзелтилмелидир.

Компактлыгын ве кубат керектөөсүнин сонужу

Компакт системаин өлчөө електрониги 1 W’ын астында гүч кулланмактадыр. Red Pitaya, Wi-Fi тартипсында болжол менен 10 W’а катар түкетмектедир. Йаклашык 11 W топлам түкетим менен 50 Wh номинал батарея сыйымдуулуксинин бөлүнмеси, 4,5 саатлик теорик изилдөө мөөнөтү вермектедир. Герчек убакыт дөнүштүрүжү жоготуулары, батарея температурасы ве сыйымдуулук дүшүмү неденийле дагы кыса олабилир.

Ишленмиш сигналлер не көрсөтөт?

Изилдөөнүн 10. сайфасындаки Шекил 12; саф N₂, %4 H₂ + %96 N₂ ве %4 CO₂ + %96 N₂ үчүн кайчылаш корреляция кийинсында алынган сигналдарды салыштырууктадыр. Хер графикте:

• Заман аланындаки ишленмиш ультраүндүү толкун.
• Hilbert зарфы.
• Учуш мөөнөтүни верен зарф тепе ноктасы.
• 1,5 MHz’деки FFT генлиги

көрсөтүлгөн. H₂ ве CO₂ карышымларынын хем тепе конумунда хем де спектр амплитудасынде азот реферансындан ар түрдүүлык олуштурдугу гөрүлмектедир.

Деришим басамакларына маалыматлен тепки

11. сайфадаки Шекил 13(а), тажрыйба бойунжа ΔToF ве ΔA’нын замана бторлы дегишимини; Шекил 13(б) болсо колдонулган газ ве концентрация програмыны көрсөтөт. Хер үч мүнөтлык басамакта болжол менен 540 маалымат ноктасы топланмыштыр.

Газ дегиштирме анларында кыса гечиш сапмалары олушмуштур. Изилдөөчүлөр бунлары агымш контрол ваналарынын гежикмеси ве газ дегиштирме тартипсындаки агымш бозулмаларыйла илишкмененндирмиштир. Темсили маанилер, бу гечижи бөлгелерден качынмак үчүн хер басамторын орта кысмындан алынмыштыр.

%4’тен %1’е инен концентрация сермененри үчүн биринжи дережеден догрусал егилимлер колдонулган. Бу догрулар изилдөө аралыгындаки йаныт йөнүнү көрсөтөт; бторымсыз валидация түзүмлмадыгындан бүтүн концентрациялерде гечерли там калибрация модельлери катары маанилендирилмемелидир.

ΔA–ΔToF картасы

11. сайфадаки Шекил 14, H₂, CO₂, CH₄ ве He үчүн өлчүлен амплитуда дегишимини учуу убактысы дегишимине каршы көрсөтөт. Дөрт газ амененси ар түрдүү йөрүнгелер мейдана гетирмиштир:

• H₂, CO₂, CH₄ ве He нокталары ошол эле догру үстүндө тамамен чагымшмамактадыр.
• Газ концентрацияи дегиштикче хер газ кенди егилими бойунжа мененрлемектедир.
• Хер газдан %1 ичерен карышык газ ноктасы ара бир бөлгеде булунмактадыр.

Бу натыйжа, ики акустик өзеллигин бирликте кулланылмасынын газ түрү хаккында билги ташыдыгыны көрсөтөт. Бирок сүрөт, гөрсел айрылабилирлик сунмактадыр; егитилмиш бир классификатор, сокур тест, ишеним бөлгеси вейа ката матриси булунмадыгы үчүн нижел “газ таныма догрулугу” хесапланамаз.

Карарлылык ве дрейф

Изилдөөчүлөр кыса тажрыйба тартипсында температура дрейфсинин чектелген калдыгыны ве азот реферансларынын жай дегишимлери азалттыгыны белиртмектедир. Метинде ошондой эле дагы узун гөзлемлерде болжол менен 11 саат үчүнде артык ΔToF базалык сызык дрейфсинин болжол менен %0,5 олдугу ифаде едилмиштир.

Ошентсе да узак мөөнөттүү сынооин айрынтылы заман сериси, текрар сайжылуулук ве ар түрдүү чевре шарттарындаки каршылыгы ана сүрөтлерде сунулмамыштыр. Бу неденле %0,5 маании узак мөөнөттүү үрүн туруктуулыгы вейа саха калибрация аралыгы катары кулланылмамалыдыр.

Изилдөөнүн күчтүү йөнлери

• CMUT, жогорку чыңалуу өндүрүши, өткөргүч, кабыл алуучу ве ылдам единими тек көчмө зинжирде бириктирүүктедир.
• GaN трансистөрү соккули догрусал күчөткүч катары кулланарак контроллү синүзоидал жогорку чыңалуу үретмектедир.
• Верижи ве кабыл алуучу CMUT’ларын кутуплама чыңалуулери бторымсыз айарланабилмектедир.
• Йүксек чыңалуу дөнүштүрүжүсү өлчөө тартипсында дурдуруларак которуу ызы-чуусу азалтылмактадыр.
• Алыжы гери беслеме каршылыгы дегиштирмененрек казанч ве бант кеңлиги айарланабилмектедир.
• 0,5–5 MHz аралыгында хавадан өлчүлебилир ультраүндүү менентим көрсөтүлгөн.
• H₂, CO₂, CH₄ ве He үчүн герчек контроллү газ агымшы тажрыйбалари түзүмлмыштыр.
• Учуш мөөнөтү ве спектр амплитудасы ошол эле өлчөөден бирликте чыкарылмыштыр.
• Өнжеки лаборатория системаине ылайык көлөм ве масса болжол менен 30 кат азалтылмыштыр.
• Батарйа ве Wi-Fi колдонулушуйла шебекеден бторымсыз өлчөө көрсөтүлгөн.

Изилдөөнүн чектелгенлыклары

• Изилдөө рецензиядан өтпөгөн препринт.
• Газ алгылама тажрыйбаи йалнызжа 1,5 MHz’де түзүмлмыштыр.
• Акустик йол йалнызжа 6 mm’дир.
• Тест едмененн эң төмөн тек газ концентрацияи %1’дир.
• Алгылама сыныры, нижел тактык ве белгисиздик бүтчеси маалыматлмемиштир.
• Газ классификация догрулугу вейа жалган сигнал катышы хесапланмамыштыр.
• Хер газ үчүн бторымсыз текрарлар ве ката чубуклары ачыкча рапор едилмемиштир.
• Карышык газ тажрыйбаи йалнызжа тек курам ноктасындан олушмактадыр.
• Газларын хава, оксижен вейа герчек өнөр жайлык арка план үчүндеки давранышы сынанмамыштыр.
• Нем контроллү бичимде дегиштирилмемиштир.
• Басынч дегишими изилденген эмес.
• Газ гечиш ве темизленме убакытлери нижел бир йаныт мөөнөтү модельийле маанилендирилмемиштир.
• Газ тажрыйбаинде 20 сигнал орточосы колдонулган.
• Синйал ишлеме хâлен ана билгисайарда герчеклештирилмекте, бүтүнүйле карт үзерине ташынмамыштыр.
• Прототип 1 kg’дыр ве акыркы мини сенсөр бойутунда дегилдир.
• Герчек батарея изилдөө мөөнөтү эксперименттик катары гөстерилмемиштир.
• GaN елеманынын температурасы ве узак мөөнөттүү догрусал изилдөө ишенимилирлиги өлчүлмемиштир.
• Йүксек чыңалуу ишенимлиги ве мухафазаа тасарымы маанилендирилмемиштир.
• ЕМЖ, титирөө ве меканик шок сыноолору түзүмлмамыштыр.
• Патлайыжы ортам сертификасйону вейа кывылжым ишенимлиги гөстерилмемиштир.
• Үретим нарки ве сери үретмененбилирлик анализи булунмамактадыр.
• GaN елеман ады, өлчөө жыштыкы ве DAC изилдөө ноктасы конусунда текст ичи уйушмазлыклар вардыр.

Изилдөө нейи дестеклемектедир?

Изилдөө, ики CMUT арасында йайылан ультраүндүү сигналдын учуу убактысы ве генлигинин, контроллү H₂, CO₂, CH₄ ве He карышымларындаки концентрация дегишимлерине тепки вердигини дестеклемектедир. Ошондой эле дагы мурун абдан сайыда лаборатория жихазы геректирен пайдубал гөндерме, алма, жогорку чыңалуу ве маалымат единими ишлевлеринин болжол менен 1,9 литре хажминдеки батареялуу бир платформада бирлештирмененбилдигини көрсөтөт.

Денейлер, соккули догрусал GaN йүкселтежинин кең тилкелүү синүзоидал CMUT үйүршү үчүн кулланылабмененжегини; трансимпеданс кабыл алуучунын гери беслеме елеманларыйла айарланабилдигини ве йүкселтижи дөнүштүрүжүнүн өлчөө тартипсында сустурулмасынын алсыз сигнал өлчөөүнү колайлаштырдыгыны дестеклемектедир.

Изилдөө нейи далилдебейт?

Изилдөө, системаин билинмейен газлары отоматик ве катасыз бичимде танымладыгыны, %0,01 дүзейинде газ алгыладыгыны, герчек өнөр жайлык качаклара йетеринже ылдам тепки вердигини вейа температура ве нем дегишимлеринден бторымсыз олдугуну далилдебейт. Газларын ΔA–ΔToF егрмененринин ажырашуусы, тек башына сертификалы сечижилик вейа нижел классификация өндүрүмдүүлүкы анламына гелмез.

Изилдөө ошондой эле CMUT йаклашымынын химиялык газ сенсөрлеринден дагы узун өмүрлү, дагы дүшүк наркли вейа дагы ишенимилир олдугуну догрудан гөстермемектедир. Бу йарарлар, газла реакцияйе гирен хассас каплама кулланылмамасындан доган изилдөө потенциалыдир ве узак мөөнөттүү салыштыруулы тажрыйбаларле догруланмалыдыр.

Изилдөөнүн Йөнтеми ве Булгулары

Сенсөр башлыгынын пайдубал айрыкчари

Електроник системаин компоненттери

Гөмүлү платформа ве менентишим

Алыжы гери беслеме салыштыруусы

Газ тажрыйбаинин ишлем тартипсы

1. Саф N₂ сенсөр башлыгына маалыматтарек реферанс өлчөөү алынмыштыр.
2. Хедеф газ ве N₂, массасел агымш контролөрлерийле истенен катышда карыштырылмыштыр.
3. Топлам газ агымшы 100 cm³/мүнөтда тутулмуштур.
4. Верижи CMUT’а 1,5 MHz ве 20 µс убакытли сокку колдонулган.
5. Алыжы CMUT’тан гелен ишарет TIA менен йүкселтилмиштир.
6. Хер өлчөө ноктасы үчүн 20 единим орталанмыштыр.
7. Ишленмиш маалымат болжол менен 0,32 секундаде ана билгисайара гөндерилмиштир.
8. Чапраз корреляция ве Hilbert зарфындан ToF аныкталган.
9. FFT’ден 1,5 MHz генлиги чыкарылмыштыр.
10. ΔToF ве ΔA маанилери саф N₂ реферансына ылайык эсептелген.
11. Хер концентрация басамторынын орта бөлүмүндеки туруктуу маанилер колдонулган.

Ана нижел натыйжалар

Метин үчүндеки текник уйушмазлыклар

Уйгулама мурунси герекли валидациялар

• Газ тажрыйбалари 0,5–5 MHz аралыгында абдан жыштыклы катары текрарланмалыдыр.
• Хер газ үчүн %1’ин астында абдан сайыда калибрация ноктасы кулланылмалыдыр.
• Алгылама ве нижел тайин сынырлары хесапланмалыдыр.
• Бторымсыз көр газ үлгүлөрүйле классификация догрулугу өлчүлмелидир.
• Бирден фазала газын ар түрдүү катышларда булундугу кең карышым маалымат сети олуштурулмалыдыр.
• Сыжаклык, нем ве басым дегишимлери калибрацияа дâхил едилмелидир.
• Хава ве оксижен ичерен герчекчи арка план газлары кулланылмалыдыр.
• Йаныт, темизленме ве вана гежикмеси убакытлери айры айры өлчүлмелидир.
• Фарклы CMUT өндүрүш партмененри арасында сенсөрлер арасы дегишкенлик белирленмелидир.
• Узун дмаани базалык сызык, текрарланабилирлик ве жашланма тажрыйбалари түзүмлмалыдыр.
• GaN елеманынын температурасы ве догрусал изилдөө ишенимилирлиги изленмелидир.
• Red Pitaya йерине дагы кичинекей ве дүшүк күчтүү гөмүлү донаным маанилендирилмелидир.
• Синйал ишлеме бүтүнүйле карт үзерине ташынмалыдыр.
• Йүксек чыңалуу бөлүмү електриксел коопсуздук мухафазаасына алынмалыдыр.
• ЕМЖ, титирөө, шок ве көчмө батарея тажрыйбалари түзүмлмалыдыр.
• Хидрожен ве метан колдонмолары үчүн жарылуучу чөйрө ишенимлиги догруланмалыдыр.
• Пилот тесислерде герчек качак ве хаваландырма шарттары астында саха денемелери түзүмлмалыдыр.

Булак жана метод эскертүүсү

Изилдөөнүн там өзгүн ады:Жомпажт CMUT Гас Сенсор Ынтегратинг GaN-Басед Амплифиер

Йазарлар ве тартиплары: Йилихаму Абудужиасуер; Рида Йажхоути; Етиенне Лемаире; Флавиен Баржелла; Тхиеррй Потиер; Фабриже Матхиеу; Ысабелле Дуфоур; Доминиqуе Жертон.

Ешит салымлы автор билгиси: Изилдөөдө тең салым вейа ортак биринжи авторлык билдирими булунмамактадыр.

Сорумлу автор: Йилихаму Абудужиасуер.

Сорумлу автор е-поста адреси: yilihamu.abudujiasuer@univ-tours.fr

Курумсал шилтемелар:

1. GREMAN Лабораторй UMR-CNRS 7347, University of Tours, 37071 Тоурс, Франса.
2. IMS Лабораторй UMR-CNRS 5218, University of Bordeaux, 33405 Таленже, Франса.
3. LAAS Лабораторй, LAAS-CNRS UPR8001, University of Toulouse, 31031 Тоулоусе, Франса.

Йазар-мекеме ешлешмеси:

• Йилихаму Абудужиасуер, Рида Йажхоути, Етиенне Лемаире, Флавиен Баржелла, Тхиеррй Потиер ве Доминиqуе Жертон: GREMAN Лабораторй, University of Tours.
• Ысабелле Дуфоур: IMS Лабораторй, University of Bordeaux.
• Фабриже Матхиеу: LAAS Лабораторй, University of Toulouse.

Ширетүү түрү: CMUT сенсөр өндүрүши, өзел електроник девре гелиштирме, жыштык карактеризасйону ве контроллү газ агымшы тажрыйбалари ичерен эксперименттик препринт изилдөө макалеси.

Кону аланы: МЕМС газ сенсөрлери, CMUT, хавадан ултрасон, GaN күчөткүчлери, камтылган электроникалер, учуу убактысы өлчөөү ве акустик газ айрымы.

Хакемлик дуруму: Изилдөө рецензиядан өткөн эмес. Йүкленен үйүрмүн хер сайфасында препринт ве хакемлик уйаржылуулук булунмактадыр.

Йайын платформау: SSRN.

Платформ сторлайыжжылуулук: Елсевиер SSRN Препринт Сервижес.

SSRN кайыт нумарасы: 7201800.

DOI:10.2139/ssrn.7201800

Ресмî шилтеме:SSRN кайыт сайфасы

Йайын йылы: 2026.

Дерги: Хакемли бир журналде йайымландыгы ырасталган эмес.

Өзгүн журнал басмакана: Догруланмыш бир хакемли журнал вейа акыркы журнал басмакана булунмамактадыр. SSRN бир препринт платформаудур ве хакемли журнал катары гөстерилмемелидир.

Финансман: Изилдөө, Френжх Натионал Ресеаржх Агенжй тарафындан дестекленен MIGNON прожеси капсамында финансе едилмиштир. Макаледе каржылоо нумарасы ANR-22-CE42-0012-04 катары маалыматлмиштир. Изилдөө ошондой эле University of Tours бүнйесиндеки CERTeM текноложик платформаундан йарарланмыштыр.

MIGNON ана проже кайды:ANR-22-CE42-0012

Чыкар чатышмасы: Йүкленен ана текстде айры ве ачык бир кызыкчылыктар кагылышы билдирими йер алмамактадыр.

Йазар салымлары: ЖРедиТ вейа бензери айрынтылы автор салымы билдирими булунмамактадыр.

Вери ве код жеткиликтүүлүгү: Хам газ өлчөө маалыматтари, ПЖБ өндүрүш досйалары, девре тасарым досйалары, Red Pitaya булак коду вейа Пйтхон анализ коду үчүн ачык бир маалымат депосу шилтемесы маалыматлмемиштир.

Дестеклейижи билги дуруму: Темел девре ве карактеризасйон айрынтылары ана метнин Ек А ве Ек Б бөлүмлеринде маалыматлмиштир. Айры бир дестеклейижи билги досйасына атыф түзүмлмамактадыр.

Библийографик ве текник уйары: Ана текстде GaN елеманынын модельи, Шекил 11’ин сон жыштыкы ве номинал DAC ДЖ контрол дүзейи конусунда бирбиринден ар түрдүү ифаделер булунмактадыр. Нихаи жарыялоо мурунсинде бу аланларын дүзелтилмеси герекир.

Бу Түркче ачыклама, йүкленен изилдөөнүн бүтүн ана метни, таблицалары, девре шемалары, жыштык егрмененри, заман сигналдарды, газ тепки графиклери ве Ек А–Б текник анализлери инжеленерек даярдалган. Билимсел ичерик йалнызжа изилдөөдө сунулан эксперименттик натыйжалар ве изилдөөчүлөрдүн йорумларыйла сынырландырылмыштыр. Дыш ширетүүлар йалнызжа баш аталыш, автор, DOI, платформа, мекеме ве проже билгмененринин библийографик валидациясы амажыйла колдонулган.

Сонучлар; изилдөөнүн хакем баалоосинден гечмемиш олмасы, газ тажрыйбаларинин тек жыштык ве кыса акустик йолла чектелген калмасы, эң төмөн сыноо концентрацияинин %1 олмасы, абданлу газ тажрыйбаинин тек курам ичермеси, классификация ве аныктоо чеги метриклеринин маалыматлмемеси, чевресел дегишкенлерин сынанмамасы ве прототипин хâлен ана билгисайара бторлы олмасы диккате алынарак маанилендирилмелидир.