Ин таҳқиқот платформаи паймонаи CMUT барои муайянкунии газро таҳия кардааст, ки ҳадафаш муайян кардани таркиби газ аз рӯи тағйироти вақти паҳншавӣ ва амплитудаи мавҷҳои ултрасадо мебошад. Система аз як табдилдиҳандаи ултрасадоии микромеханикии сиғавии фиристанда ва як қабулкунанда иборат аст, ки рӯ ба рӯ ҷойгир шудаанд. Сигнали кӯтоҳи ултрасадо, ки CMUT-и фиристанда тавлид мекунад, аз роҳи газии назоратшавандаи 6 mm гузашта, ба CMUT-и қабулкунанда мерасад. Вақте таркиби газ тағйир меёбад, суръати паҳншавии садо ва сустшавии акустикӣ низ тағйир меёбанд; бинобар ин вақти парвози сигнали қабулшуда ва амплитудаи он дар спектри басомад тағйир меёбанд.

Навоварии асосии платформаи пешниҳодшуда муттаҳид кардани қисмҳои муҳими сохтори лабораторӣ дар як системаи электронии сайёр аст, ки қаблан function generator, high-voltage source, wideband power amplifier, oscilloscope ва preamplifier-и мустақил талаб мекард. Система high-voltage converter-еро дар бар мегирад, ки аз манбаи 5 V тақрибан 100 V ҳосил мекунад, wideband transmitter amplifier бо транзистори GaN, transimpedance receiver circuit ва embedded platform-и Red Pitaya, ки ҳамзамон waveform generation ва acquisition-ро таъмин мекунад.

Прототипи паймон тақрибан 250 × 150 × 50 mm андоза, 1,9 литр ҳаҷм ва 1 kg масса дорад. Азбаски тарҳи лаборатории қаблӣ тақрибан 63 литр ва 30 kg буд, ҳаҷм тақрибан 33 маротиба ва масса тақрибан 30 маротиба кам шудааст. Истеъмоли қувваи front-end-и transmitter-receiver камтар аз 1 W ва истеъмоли умумии система бо Red Pitaya тақрибан 11 W аст. Мувофиқи ҳисоби назариявии тадқиқотчиён аз рӯи capacity-и энергия, батареяи сайёри 5 V ва 10 Ah метавонад тақрибан 4,5 соат кор диҳад. Ин вақт на бо battery test-и дарозмуддати мустақим, балки бо тақсим кардани capacity-и тақрибан 50 Wh ба power consumption ҳисоб шудааст.

Дар озмоишҳо газҳои H₂, CO₂, CH₄ ва He бо нитроген омехта шудаанд; барои ҳар газ қадамҳои concentration-и %4, %3, %2 ва %1 истифода шуданд. Ченкуниҳо дар 1,5 MHz ва total gas flow-и 100 cm³/min анҷом дода шуданд. Ҳангоми арзёбии якҷояи тағйири time-of-flight ва тағйири spectrum amplitude дида шуд, ки чор газ дар plane-и ΔA–ΔToF дар самтҳои гуногун ҳаракат мекунанд. Ин бозёфт нишон медиҳад, ки система дар шароити назоратшаванда ба тағйири навъи газ ва concentration ҳассос аст. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот classification algorithm, detection limit, uncertainty calculation ё independent blind test пешниҳод намекунад.

Система ба coating-и махсуси chemical sensing, ки бо газ реаксия мекунад, такя намекунад. Ба ҷои ин, хусусиятҳои физикии газро, аз ҷумла speed of sound ва attenuation, чен мекунад. Ин approach метавонад дар баъзе applications эҳтимоли мушкилоти coating aging ё chemical selectivity-ро кам кунад. Аммо азбаски дар таҳқиқот муқоисаи мустақими дарозмуддат бо chemical sensor-ҳо анҷом нашудааст, drift-и пасттар, عمر-и дарозтар ё reliability-и баландтар ҳанӯз experimentally исбот нашудаанд.

Аз нигоҳи Туркия: Система метавонад барои таҳқиқоти portable leak ва mixture monitoring дар hydrogen production ва storage infrastructure, natural-gas facility, biogas application, chemical industry, laboratory gas line, energy-storage system ва technical facility-ҳое, ки helium истифода мекунанд, асос шавад. Барои истифода дар Туркия бояд multipoint calibration бо local gas composition, temperature ва humidity compensation, санҷиши газҳо дар ҳаво, lower-concentration experiments, electromagnetic compatibility, vibration ва aging tests, indoor ва outdoor field trials ва explosive-atmosphere safety assessment анҷом дода шаванд. Аз таҳқиқот наметавон хулоса кард, ки система барои commercial leak detector кофӣ аст, legal metrology accuracy медиҳад, дар explosive atmosphere бехатар истифода мешавад, detection limit-и %0,01 дорад ё unknown multigas mixture-ҳоро автоматикӣ мешиносад.

CMUT чист ва газро чӣ гуна чен мекунад?

CMUT маънои capacitive micromachined ultrasonic transducer-ро дорад. Ҳар cell аз membrane-и хеле борик ва чандир, ки болои fixed bottom electrode ҷойгир аст, ва gap байни ин ду structure иборат аст. Membrane ва bottom electrode якҷоя electrical capacitor ташкил мекунанд.

Расми 1 дар саҳифаи 3-и таҳқиқот механизми transmit ва receive-и CMUT-ро дар sectional view нишон медиҳад. Қабатҳои асосии structure инҳоянд:

• Электроди болоии алюминий.
• Membrane-и silicon nitride.
• Vacuum gap.
• Conductive polycrystalline silicon bottom electrode.
• Silicon dioxide insulation layer.
• Silicon carrier substrate.

Ҳангоми transmit ба CMUT ҳам fixed DC voltage ва ҳам time-varying AC voltage дода мешавад. Electrostatic force membrane-и борикро ларзонда, ultrasonic wave-ро ба муҳити газ паҳн мекунад. Ҳангоми receive acoustic pressure-и воридшаванда membrane-ро ҳаракат медиҳад, capacitance-и cell тағйир меёбад ва ин change ҳамчун electrical current чен мешавад.

DC bias-и CMUT sensitivity-и transmit ва receive-ро зиёд мекунад. Аммо агар voltage ба collapse ё pull-in limit, ки membrane ноустувор ба bottom electrode кашида мешавад, хеле наздик шавад, linear operating range ва safety margin кам мешаванд. Сабаби кор кардани transmitter ва receiver бо voltage-ҳои гуногун дар таҳқиқот ҳамин аст.

Сохтори CMUT array-ҳои истифодашуда

Дар sensor head ду circular CMUT array-и якхела рӯ ба рӯ ҷойгир шудаанд. Дар ҳар array 1.941 square cell-и parallel-connected мавҷуд аст. Андозаи паҳлуии cell-ҳо 32 µm, diameter-и circular active aperture 7 mm ва active-area ratio %41 мебошад.

Расми 2(a) дар саҳифаи 3 close-up-и square CMUT cell-ҳоро, ки бо top metal interconnect пайвастанд, нишон медиҳад; Расми 2(b) circular array-и diameter-и 7 mm-ро бо electrical connection pad-ҳо дар атроф нишон медиҳад.

Дар Table 1 навишти cell area тавре ҷойгир шудааст, ки маънои “32² µm²” медиҳад, аммо матн side length-и cell-ро равшан 32 µm медиҳад. Аз ин рӯ, cell size ҳамчун 32 µm × 32 µm фаҳмида мешавад.

Чаро таркиби газ time-of-flight ва amplitude-ро тағйир медиҳад?

Ultrasonic wave-и CMUT transmitter дар муҳити газ то ба receiver расидан паҳн мешавад. Ҳангоми тағйири gas composition speed of sound низ метавонад тағйир ёбад. Ин change ба вақти тай кардани роҳи 6 mm аз ҷониби signal таъсир мерасонад. Дар таҳқиқот ин quantity time-of-flight ё ToF номида шудааст.

Acoustic attenuation-и газ низ amplitude-и received signal-ро таъсир медиҳад. Барои ҳамин тадқиқотчиён ба ҷои як measurement, ду acoustic feature-ро якҷоя истифода бурданд:

• ΔToF: Тағйири measured time-of-flight нисбат ба pure nitrogen reference.
• ΔA: Тағйири FFT amplitude дар selected frequency нисбат ба pure nitrogen reference.

Истифодаи якҷояи ду feature маълумоти иловагӣ медиҳад, то газҳое, ки response-и наздик дар ToF change доранд, аз рӯи amplitude behavior ҷудо шаванд ё баръакс.

Мушкилоти setup-и лаборатории қаблӣ чӣ буд?

Расми 3 дар саҳифаи 4 measurement chain-и лаборатории қаблиро нишон медиҳад. Ин setup инҳоро дар бар мегирифт:

• Function ё arbitrary waveform generator.
• External wideband power amplifier.
• Multiple high-voltage power supplies.
• Separate transmitter ва receiver bias networks.
• Receiver preamplifier.
• Oscilloscope.
• Multiple power, signal ва ground connections.

Гарчанде ин structure дар research laboratory flexibility медиҳад, ҳаҷмаш тақрибан 63 литр ва массааш 30 kg мешавад. Long cable ва ground connection-и device-ҳои ҷудогона метавонанд дар weak airborne ultrasound signal noise ва impedance mismatch ба вуҷуд оранд. Synchronization-и measurement байни device-ҳои гуногун ва гирифтани result дар field environment низ душвор мешавад.

Меъмории умумии compact platform

Расми 4 дар саҳифаи 4 compact measurement chain-ро нишон медиҳад, ки laboratory instrument-ҳоро иваз мекунад. Система аз чор қисми асосӣ иборат аст:

1. Ҷуфти face-to-face CMUT transmitter ва receiver.
2. Custom electronics board бо transmitter ва receiver amplifier, high-voltage generation ва biasing.
3. Red Pitaya board барои waveform generation, synchronization ва signal acquisition.
4. 5 V power supply аз USB ё portable battery.

Low-voltage waveform-и Red Pitaya дар custom transmitter circuit amplification шуда, ба CMUT дода мешавад. Very small current аз receiver CMUT бо transimpedance amplifier ба voltage табдил дода шуда, бо ADC-и Red Pitaya digitize мешавад. Идора кардани timing-и transmitter ва receiver аз ҳамон system repeatability-и ToF calculation-ро зиёд мекунад.

Чаро GaN-based transmitter amplifier истифода шудааст?

Барои кор кардани CMUT transmitter бо smooth sinusoidal pulse дар wide frequency range high-voltage wideband amplifier лозим аст. High parasitic capacitance ва larger conduction resistance-и conventional silicon power transistor метавонад дар circuit-и compact ва high-frequency маҳдудкунанда бошад.

Дар таҳқиқот gallium nitride, яъне GaN transistor, барои хусусиятҳои зерин интихоб шудааст:

• Low conduction resistance.
• Low Miller capacitance.
• Low gate charge ва low gate-drive voltage.
• High-frequency ва high-voltage compatibility.
• Reduced reverse-recovery charge аз сабаби набудани body diode.

Ҷиҳати ҷолиби ин таҳқиқот истифодаи GaN element на ҳамчун conventional ultrasonic square-wave switch, балки ҳамчун pulsed linear amplifier барои тавлиди controlled sinusoidal signal аст. Transistor танҳо ҳангоми ultrasonic pulse дар linear region кор карда, байни pulse-ҳо хомӯш мешавад. Бо ин heating ва static power consumption-и аз linear operation пайдошаванда кам мешаванд.

Бо active window-и тақрибан 131 µs ва pulse interval-и 16,5 ms duty cycle тақрибан %0,8 мешавад. Тадқиқотчиён мегӯянд бо ҳамин short duty cycle дар prototype dedicated heatsink лозим нашуд. Аммо thermal behavior дар continuous ё higher-repetition-rate operation бояд алоҳида тасдиқ шавад.

Чаро waveform-и transmitter мулоим карда шудааст?

Standard ultrasonic transmitter-ҳо бисёр вақт square voltage pulse-и sharp-edge истифода мебаранд. Ин таҳқиқот CMUT-ро зери resonance-и тақрибан 8 MHz, дар wideband region-и 0,5–5 MHz кор мекунад. Sharp-edge pulse метавонад undesired resonance ва transient vibration-ро барангезад.

Аз ин рӯ, transmitted sinusoidal pulse бо Hanning window мулоим шудааст. Start ва end-и pulse ногаҳонӣ нест. Расми A3 дар Appendix A amplified waveform-ҳоро дар control voltage-ҳои гуногун нишон медиҳад:

• Дар 165 mV circuit наздики cutoff кор мекунад ва output distorted мешавад.
• Дар 215 mV circuit ба rail limitation наздик шуда, clipping пайдо мешавад.
• Дар 190 mV output linear-тар ва distortion камтар аст.

Appendix A total gain аз input то output-ро тақрибан 60 dB гузориш медиҳад. Ба ин gain contribution-и тақрибан 20 dB аз operational amplifier низ дохил аст.

Таъсири load вобаста ба frequency

CMUT electrically capacitive load ташкил мекунад. Расми A4 дар Appendix A нишон медиҳад, ки open circuit ва CMUT load-ҳои 3,1 nF, 0,95 nF ва 0,15 nF transmitter gain-ро ба таври назаррас тағйир медиҳанд. Ҳангоми истифодаи як input amplitude output метавонад бо зиёд шудани frequency кам шавад.

Дар Расми A5 тадқиқотчиён input amplitude-ро мувофиқи frequency танзим карда, ин decrease-ро largely flatten кардаанд. Gain, ки бо fixed drive аз рӯи frequency равшан кам мешуд, бо frequency-adjusted drive тақрибан constant монд. Ин feature барои future multi-frequency gas measurement муҳим аст; аммо дар gas experiments ин multi-frequency method истифода нашудааст.

Receiver transimpedance amplifier

Receiver CMUT acoustic wave-и воридшударо ба very small electrical current табдил медиҳад. Дар таҳқиқот барои табдили ин current ба measurable voltage transimpedance amplifier истифода шудааст.

Расми 6 дар саҳифаи 6 receiver circuit-ро нишон медиҳад. Main feedback components-и интихобшуда:

• 1 MΩ feedback resistor.
• 0,2 pF nominal feedback capacitor.
• Тақрибан 0,4 pF effective feedback capacitance бо PCB parasitics.

22 kΩ, 56 kΩ, 110 kΩ ва 1 MΩ resistor-ҳо муқоиса шудаанд. Large feedback resistor дар low-megahertz region higher signal gain медиҳад, аммо usable bandwidth-ро танг мекунад. Small resistor-ҳо wider bandwidth медиҳанд, вале received signal amplitude-ро кам мекунанд.

Барои тақрибан 1,5 MHz, ки gas experiment дар он анҷом шуд, 1 MΩ resistor ҳамчун balance-и муносиб байни gain ва bandwidth интихоб шудааст. Дар multi-frequency application switchable feedback resistor ё additional gain stage лозим шуда метавонад.

Аз 5 V чӣ гуна тақрибан 100 V ҳосил шудааст?

Гарчанде CMUT biasing тақрибан 70–90 V талаб мекунад, portable system танҳо аз 5 V USB supply қувва мегирад. Аз ин рӯ, boost DC-DC converter бо discrete components дар board таҳия шудааст.

Converter, ки дар Расми 7-и саҳифаи 6 нишон дода шудааст, аз:

• Inductor.
• Low-side switching transistor.
• Rectifier diode.
• Parallel output capacitors.
• Voltage-limiting Zener diode.
• Self-oscillating PNP/NPN control stage

иборат аст. Current-и лозим дар output-и тақрибан 100 V танҳо дар сатҳи 2 mA аст.

Converter тақрибан дар 16 kHz switch мекунад. Ин switching ва harmonics метавонад noise эҷод кунад, ки ба weak receiver signal омехта шавад. Расми B1 дар Appendix B fundamental component-и 16 kHz ва higher harmonics-ро дар switching node нишон медиҳад.

Switching noise чӣ гуна кам карда шудааст?

Ҳангоми оғоз шудани transmitter pulse boost converter муваққатан боздошта мешавад. Расми B2 дар Appendix B нишон медиҳад, ки converter switching дар тамоми transmit ва receive measurement window гум шуда, пас аз анҷоми measurement боз оғоз мешавад.

Ҳангоми хомӯш будани converter high voltage-и CMUT аз energy-и дар output capacitors нигоҳдошташуда таъмин мешавад. Пас аз pulse voltage кам шуда, converter capacitors-ро recharge мекунад. Мувофиқи Расми B3, барои бозгаштани high-voltage rail ба тақрибан 100 V тақрибан 16,5 ms лозим аст. Аз ин рӯ, minimum pulse interval-и система 16,5 ms интихоб шудааст.

Ин solution low noise медиҳад, вале acquisition speed-ро маҳдуд мекунад. Converter-и higher-current ё more-efficient метавонад recharge time-ро кам кунад.

Embedded measurement system бар пояи Red Pitaya

Digital core-и система STEMlab 125-14 Gen 2 Red Pitaya board аст. DAC ва ADC unit-ҳои board метавонанд то 125 MS/s sample кунанд. Ин speed барои generation ва acquisition-и waveform-ҳои 0,5–5 MHz temporal resolution-и кофӣ медиҳад.

Расми 8 дар саҳифаи 6 hardware ва software flow-ро нишон медиҳад. Вазифаҳои асосӣ:

• Пешакӣ омода кардани sinusoidal ва Hanning-windowed transmitter pulse дар memory.
• Тавлид дар DAC output тавассути digital direct synthesis.
• Synchronization-и ADC acquisition бо transmit pulse.
• Average кардани multiple acquisition дар board ҳангоми зарурат.
• Фиристодани measurement data ва setting information ба host computer тавассути UDP.
• Signal processing ва real-time visualization бо Python 3 software.

UDP барои low protocol overhead ва short latency интихоб шудааст. Ба ҳар data frame measurement index ва time information илова шуда, traceability дар continuous measurements таъмин шудааст.

Марҳилаҳои signal processing

Таҳлили signal-и қабулшуда бо тартиби зерин анҷом шуд:

1. Ёфтани аввалин ultrasonic signal-и қабулшуда дар predefined time window.
2. Cross-correlation байни received signal ва programmed transmit waveform.
3. Кам кардани frequency component ва noise берун аз correlation.
4. Баровардани signal envelope бо Hilbert transform.
5. Муайян кардани time-of-flight аз peak position-и envelope.
6. Татбиқи FFT ба valid signal region.
7. Баровардани spectrum amplitude дар selected excitation frequency.
8. Ҳисоб кардани result ҳамчун difference нисбат ба pure nitrogen reference.

Тағйири time-of-flight:

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

Тағйири spectrum amplitude:

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

Дар ин ҷо n current gas measurement ва \(N_2\) pure nitrogen reference-ро ифода мекунад. ΔA absolute absorption coefficient нест; difference-и received FFT amplitude дар selected frequency нисбат ба nitrogen measurement мебошад.

Озмоиши gas flow

Gas mixture-ҳо бо Brooks 5850S mass-flow controller тайёр шудаанд. Ҳар target gas ҳамчун binary mixture бо nitrogen ба sensor дода шудааст.

Байни gas condition-ҳо бо pure nitrogen purge ва reference measurement анҷом дода шуд. Ин барои кам кардани таъсири residue аз gas-и пешина ва қисман compensation кардани slow temperature ё electronic drift истифода шудааст.

Frequency performance

Расми 10 дар саҳифаи 9 frequency response-и тамоми CMUT-transmitter-receiver chain-ро барои receiver feedback resistor-ҳои гуногун нишон медиҳад. Response на ба як circuit block, балки ба combination-и ин effect-ҳо вобаста аст:

• CMUT transmitter sensitivity.
• CMUT receiver sensitivity.
• Bandwidth-и receiver ва transmitter electronics.
• Acoustic diffraction дар low frequency.
• Airborne-ultrasound attenuation дар high frequency.
• Electrical capacitive loading.

Система signal-и measurable дар range-и 0,5–5 MHz истеҳсол кард. Дар basic airborne bandwidth experiment signal то 5 MHz бе additional interpolation ё averaging гирифта шуд. Дар gas experiment бошад барои stable feature extraction 20 acquisition average шуданд.

Расми 11 received time signal ва spectrum-ҳоро дар center frequency-ҳои гуногун нишон медиҳад. Main text last panel-ро 4 MHz, figure caption бошад 3 MHz тавсиф мекунад. Ин inconsistency бояд ислоҳ шавад.

Натиҷаи compactness ва power consumption

Measurement electronics-и compact system камтар аз 1 W қувва истифода мебарад. Red Pitaya ҳангоми Wi-Fi тақрибан то 10 W истеъмол мекунад. Бо total consumption-и тақрибан 11 W, тақсим кардани nominal battery capacity-и 50 Wh theoretical runtime-и 4,5 соат медиҳад. Real runtime метавонад аз сабаби converter losses, battery temperature ва capacity degradation кӯтоҳтар бошад.

Processed signal-ҳо чиро нишон медиҳанд?

Расми 12 дар саҳифаи 10 signal-ҳои пас аз cross-correlation барои pure N₂, %4 H₂ + %96 N₂ ва %4 CO₂ + %96 N₂-ро муқоиса мекунад. Дар ҳар graph:

• Processed ultrasonic waveform дар time domain.
• Hilbert envelope.
• Envelope peak, ки time-of-flight медиҳад.
• FFT amplitude дар 1,5 MHz

нишон дода шудаанд. Дидам мешавад, ки H₂ ва CO₂ mixture-ҳо ҳам дар peak position ва ҳам spectrum amplitude аз nitrogen reference фарқ доранд.

Response ба concentration step-ҳо

Расми 13(a) дар саҳифаи 11 time-dependent change-и ΔToF ва ΔA дар давоми experiment-ро; Расми 13(b) applied gas ва concentration program-ро нишон медиҳад. Дар ҳар three-minute step тақрибан 540 data point ҷамъ шудааст.

Ҳангоми gas change short transition deviation пайдо шуд. Тадқиқотчиён онҳоро ба delay-и flow-control valve ва flow disturbance ҳангоми gas switching вобаста карданд. Representative value-ҳо аз middle portion-и ҳар step гирифта шуданд, то transient region-ҳо канор раванд.

Барои concentration series аз %4 то %1 first-order linear trend татбиқ шуд. Ин line-ҳо direction-и response дар working range-ро нишон медиҳанд; азбаски independent validation нест, набояд онҳоро full calibration model барои ҳамаи concentration ҳисоб кард.

Харитаи ΔA–ΔToF

Расми 14 дар саҳифаи 11 measured amplitude change-ро нисбат ба time-of-flight change барои H₂, CO₂, CH₄ ва He нишон медиҳад. Чор gas family trajectory-ҳои гуногун сохтанд:

• Point-ҳои H₂, CO₂, CH₄ ва He дар як line пурра overlap намекунанд.
• Бо тағйири gas concentration ҳар gas дар trend-и худ ҳаракат мекунад.
• Mixed-gas point, ки %1 аз ҳар gas дорад, дар intermediate region ҷойгир аст.

Ин result нишон медиҳад, ки истифодаи якҷояи ду acoustic feature маълумот дар бораи gas type дорад. Аммо figure танҳо visual separability медиҳад; trained classifier, blind test, confidence region ё error matrix нест, аз ин рӯ quantitative “gas recognition accuracy” ҳисоб карда намешавад.

Stability ва drift

Тадқиқотчиён мегӯянд, ки дар short experiment temperature drift маҳдуд монда ва nitrogen reference slow changes-ро кам кардааст. Матн инчунин мегӯяд, ки дар longer observation residual ΔToF baseline drift дар тақрибан 11 соат тақрибан %0,5 буд.

Бо вуҷуди ин, detailed time series-и long-term test, number of repeats ва equivalent дар environmental condition-ҳои гуногун дар main figure-ҳо дода нашудааст. Аз ин рӯ, %0,5 набояд ҳамчун long-term product stability ё field calibration interval истифода шавад.

Нуқтаҳои қавии таҳқиқот

• CMUT, high-voltage generation, transmitter, receiver ва fast acquisition-ро дар як portable chain муттаҳид мекунад.
• GaN transistor-ро ҳамчун pulsed linear amplifier истифода бурда controlled sinusoidal high voltage истеҳсол мекунад.
• Bias voltage-и transmitter ва receiver CMUT independently adjustable аст.
• High-voltage converter ҳангоми measurement боздошта шуда, switching noise кам карда мешавад.
• Receiver feedback resistor тағйир дода шуда, gain ва bandwidth танзим мешаванд.
• Measurable airborne ultrasonic transmission дар range-и 0,5–5 MHz нишон дода шудааст.
• Real controlled gas-flow experiments барои H₂, CO₂, CH₄ ва He иҷро шудаанд.
• Time-of-flight ва spectrum amplitude аз ҳамон measurement якҷоя гирифта шудаанд.
• Volume ва mass нисбат ба previous lab system тақрибан 30 маротиба кам шудаанд.
• Battery ва Wi-Fi истифода шуда, measurement аз mains independent нишон дода шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Таҳқиқот preprint-и peer-review нашуда аст.
• Gas sensing experiment танҳо дар 1,5 MHz гузаронида шудааст.
• Acoustic path танҳо 6 mm аст.
• Lowest single-gas concentration-и tested %1 аст.
• Detection limit, quantitative accuracy ва uncertainty budget дода нашудааст.
• Gas-classification accuracy ё false-alarm rate ҳисоб нашудааст.
• Independent repeat ва error bar барои ҳар gas равшан report нашудаанд.
• Mixed-gas experiment танҳо як composition point дорад.
• Behavior-и gas дар air, oxygen ё real industrial background санҷида нашудааст.
• Humidity controlled change нашудааст.
• Pressure variation таҳқиқ нашудааст.
• Gas transition ва purge time бо quantitative response-time model арзёбӣ нашудаанд.
• Дар gas experiment 20 signal average истифода шудааст.
• Signal processing ҳоло ҳам дар host computer анҷом мешавад ва пурра ба board кӯчонида нашудааст.
• Prototype 1 kg аст ва final mini-sensor size нест.
• Real battery runtime experimentally нишон дода нашудааст.
• Temperature-и GaN element ва long-term linear-operation reliability чен нашудааст.
• High-voltage safety ва enclosure design арзёбӣ нашудааст.
• EMC, vibration ва mechanical-shock test анҷом нашудаанд.
• Explosive-atmosphere certification ё spark safety нишон дода нашудааст.
• Manufacturing cost ва mass-production analysis вуҷуд надорад.
• Дар номи GaN element, measurement frequency ва DAC operating point inconsistencies-и дохили матн вуҷуд доранд.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки time-of-flight ва amplitude-и ultrasonic signal байни ду CMUT ба concentration change дар controlled mixture-ҳои H₂, CO₂, CH₄ ва He ҷавоб медиҳад. Он ҳамчунин нишон медиҳад, ки basic transmit, receive, high-voltage ва data-acquisition function-ҳое, ки қаблан multiple lab instrument талаб мекарданд, дар battery-powered platform-и тақрибан 1,9 литр муттаҳид мешаванд.

Experiment дастгирӣ мекунад, ки pulsed linear GaN amplifier барои wideband sinusoidal CMUT drive истифода шуда метавонад; transimpedance receiver бо feedback element танзим мешавад; ва mute кардани boost converter ҳангоми measurement weak-signal measurement-ро осон мекунад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

Таҳқиқот исбот намекунад, ки система unknown gas-ҳоро automated ва error-free мешиносад, gas-ро дар level-и %0,01 detect мекунад, ба real industrial leak ба қадри кофӣ зуд response медиҳад ё аз temperature ва humidity changes independent аст. Ҷудо шудани ΔA–ΔToF curve-ҳо худ ба худ certified selectivity ё quantitative classification performance нест.

Таҳқиқот инчунин мустақим нишон намедиҳад, ки CMUT approach нисбат ба chemical gas sensor longer lifetime, lower cost ё higher reliability дорад. Ин benefit-ҳо research potential аз набудани reactive sensing coating мебошанд ва бояд бо long-term comparative experiment тасдиқ шаванд.

Усул ва бозёфтҳои таҳқиқот

Хусусиятҳои асосии sensor head

Ҷузъҳои electronic system

Embedded platform ва communication

Муқоисаи receiver feedback

Пайдарпаии gas experiment

1. Pure N₂ ба sensor head дода шуда reference measurement гирифта шуд.
2. Target gas ва N₂ бо mass-flow controller дар desired ratio омехта шуданд.
3. Total gas flow дар 100 cm³/min нигоҳ дошта шуд.
4. Ба transmitter CMUT pulse-и 1,5 MHz ва 20 µs дода шуд.
5. Signal аз receiver CMUT бо TIA amplification шуд.
6. Барои ҳар measurement point 20 acquisition average шуд.
7. Processed data дар тақрибан 0,32 сония ба host computer фиристода шуд.
8. ToF аз cross-correlation ва Hilbert envelope муайян шуд.
9. Amplitude-и 1,5 MHz аз FFT бароварда шуд.
10. ΔToF ва ΔA нисбат ба pure N₂ reference ҳисоб шуданд.
11. Stable values аз middle section-и ҳар concentration step истифода шуданд.

Натиҷаҳои асосии quantitative

Technical inconsistencies дар дохили матн

Validation-ҳои зарурӣ пеш аз application

• Gas experiments бояд дар range-и 0,5–5 MHz ҳамчун multi-frequency такрор шаванд.
• Барои ҳар gas multiple calibration point зери %1 истифода шаванд.
• Detection ва quantification limit ҳисоб шаванд.
• Classification accuracy бо independent blind gas sample чен шавад.
• Dataset-и васеи mixture бо multiple gas дар ratio-ҳои гуногун сохта шавад.
• Temperature, humidity ва pressure variation ба calibration дохил шаванд.
• Realistic background gas бо air ва oxygen истифода шавад.
• Response, purge ва valve-delay time алоҳида чен шаванд.
• Sensor-to-sensor variability байни different CMUT fabrication batch муайян шавад.
• Long-term baseline, repeatability ва aging experiment анҷом шаванд.
• Temperature ва linear-operation reliability-и GaN element monitor шаванд.
• Embedded hardware-и smaller ва lower-power ба ҷои Red Pitaya арзёбӣ шавад.
• Signal processing пурра ба board кӯчонида шавад.
• High-voltage section дар electrical-safety enclosure ҷойгир шавад.
• EMC, vibration, shock ва portable-battery tests анҷом шаванд.
• Explosive-atmosphere safety барои hydrogen ва methane application тасдиқ шавад.
• Field trials дар pilot facility бо real leak ва ventilation condition анҷом шаванд.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот:Compact CMUT Gas Sensor Integrating GaN-Based Amplifier

Муаллифон ва тартиб: Yilihamu Abudujiasuer; Rida Yachouti; Etienne Lemaire; Flavien Barcella; Thierry Potier; Fabrice Mathieu; Isabelle Dufour; Dominique Certon.

Маълумоти equal contribution: Дар таҳқиқот equal contribution ё co-first authorship statement нест.

Corresponding author: Yilihamu Abudujiasuer.

Email-и corresponding author: yilihamu.abudujiasuer@univ-tours.fr

Institutional affiliations:

1. GREMAN Laboratory UMR-CNRS 7347, University of Tours, 37071 Tours, France.
2. IMS Laboratory UMR-CNRS 5218, University of Bordeaux, 33405 Talence, France.
3. LAAS Laboratory, LAAS-CNRS UPR8001, University of Toulouse, 31031 Toulouse, France.

Author-institution mapping:

• Yilihamu Abudujiasuer, Rida Yachouti, Etienne Lemaire, Flavien Barcella, Thierry Potier ва Dominique Certon: GREMAN Laboratory, University of Tours.
• Isabelle Dufour: IMS Laboratory, University of Bordeaux.
• Fabrice Mathieu: LAAS Laboratory, University of Toulouse.

Source type: Experimental preprint research article бо CMUT sensor fabrication, custom electronics development, frequency characterization ва controlled gas-flow experiments.

Subject area: MEMS gas sensors, CMUT, airborne ultrasound, GaN amplifiers, embedded electronics, time-of-flight measurement ва acoustic gas discrimination.

Peer-review status: Таҳқиқот аз peer review нагузаштааст. Ҳар саҳифаи uploaded version preprint ва peer-review warning дорад.

Publication platform: SSRN.

Platform provider: Elsevier SSRN Preprint Services.

SSRN record number: 7201800.

DOI:10.2139/ssrn.7201800

Official link:SSRN record page

Publication year: 2026.

Journal: Publication дар peer-reviewed journal тасдиқ нашудааст.

Original journal publisher: Verified peer-reviewed journal ё final journal publisher вуҷуд надорад. SSRN preprint platform аст ва набояд ҳамчун peer-reviewed journal нишон дода шавад.

Funding: Таҳқиқот дар доираи MIGNON project бо дастгирии French National Research Agency funded шудааст. Дар article funding number ҳамчун ANR-22-CE42-0012-04 дода шудааст. Таҳқиқот инчунин CERTeM technological platform дар University of Tours-ро истифода кардааст.

MIGNON main project record:ANR-22-CE42-0012

Conflict of interest: Дар uploaded main text separate ва explicit conflict-of-interest statement нест.

Author contributions: CRediT ё detailed author-contribution statement-и монанд вуҷуд надорад.

Data ва code access: Open repository link барои raw gas-measurement data, PCB fabrication files, circuit design files, Red Pitaya source code ё Python analysis code дода нашудааст.

Supporting information status: Main circuit ва characterization details дар Appendix A ва Appendix B-и main text дода шудаанд. Separate supporting-information file cited нашудааст.

Bibliographic ва technical warning: Дар main text барои model-и GaN element, final frequency-и Расми 11 ва nominal DAC DC control level statement-ҳои гуногун мавҷуданд. Пеш аз final publication ин майдонҳо бояд ислоҳ шаванд.

Ин шарҳи тоҷикӣ бо таҳлили тамоми main text, table, circuit diagram, frequency curve, time signal, gas-response graph ва technical analysis дар Appendix A–B-и uploaded study омода шудааст. Scientific content танҳо бо experimental results ва interpretations-и тадқиқотчиён маҳдуд шудааст. External source-ҳо танҳо барои bibliographic verification-и title, author, DOI, platform, institution ва project information истифода шудаанд.

Натиҷаҳо бояд бо дарназардошти он арзёбӣ шаванд, ки таҳқиқот peer review нашудааст, gas experiments бо single frequency ва short acoustic path маҳдуданд, lowest tested concentration %1 аст, multigas experiment танҳо як composition дорад, classification ва detection-limit metric дода нашудаанд, environmental variable-ҳо санҷида нашудаанд ва prototype ҳанӯз ба host computer вобаста аст.