Ushbu tadqiqot gaz tarkibini ultratovush to‘lqinlarining tarqalish vaqti va amplitudasidagi o‘zgarishlardan aniqlashni maqsad qilgan ixcham CMUT gazni aniqlash platformasini ishlab chiqdi. Tizim bir-biriga qaragan uzatuvchi va qabul qiluvchi sig‘imli mikromexanik ultratovush o‘zgartirgichidan tashkil topgan. Uzatuvchi CMUT hosil qilgan qisqa ultratovush signali 6 mm uzunlikdagi nazorat qilinadigan gaz yo‘lidan o‘tib, qabul qiluvchi CMUT ga yetib boradi. Gaz tarkibi o‘zgarganda tovushning tarqalish tezligi va akustik so‘nish ham o‘zgargani uchun qabul qilingan signalning uchish vaqti hamda chastota spektridagi amplitudasi o‘zgaradi.

Taklif etilgan platformaning asosiy yangiligi avval funksional generator, yuqori kuchlanish manbai, keng polosali quvvat kuchaytirgichi, osiloskop va mustaqil old kuchaytirgichni talab qilgan laboratoriya qurilmasining muhim qismlarini bitta ko‘chma elektron tizimda birlashtirishidir. Tizim 5 V manbadan taxminan 100 V hosil qiluvchi yuqori kuchlanish o‘zgartirgichi, GaN tranzistorli keng polosali uzatuvchi kuchaytirgich, transimpedans qabul qiluvchi sxemasi va bir vaqtda to‘lqin hosil qilish hamda ma’lumot olishni ta’minlaydigan Red Pitaya o‘rnatilgan platformasini o‘z ichiga oladi.

Ixcham prototip taxminan 250 × 150 × 50 mm o‘lchamda, 1,9 litr hajmda va 1 kg massaga ega. Avvalgi laboratoriya tizimi taxminan 63 litr va 30 kg bo‘lgani uchun hajm taxminan 33 marta, massa esa taxminan 30 marta kamaytirilgan. Uzatuvchi-qabul qiluvchi old qism sxemasining quvvat iste’moli 1 W dan kam, Red Pitaya bilan birga umumiy tizim iste’moli taxminan 11 W. Tadqiqotchilarning energiya sig‘imi asosidagi nazariy hisobiga ko‘ra, 5 V va 10 Ah li ko‘chma batareya taxminan 4,5 soat ishlashni ta’minlashi mumkin. Bu vaqt to‘g‘ridan-to‘g‘ri uzoq muddatli batareya sinovi bilan emas, taxminan 50 Wh energiya sig‘imini quvvat iste’moliga bo‘lish orqali hisoblangan.

Tajribalarda H₂, CO₂, CH₄ va He gazlari azot bilan aralashtirilgan; har bir gaz uchun %4, %3, %2 va %1 konsentratsiya bosqichlari qo‘llangan. O‘lchovlar 1,5 MHz da va jami 100 cm³/min gaz oqimida bajarilgan. Uchish vaqti o‘zgarishi bilan spektr amplitudasi o‘zgarishi birgalikda baholanganda, to‘rtta gazning ΔA–ΔToF tekisligida turli yo‘nalishlarda siljishi kuzatilgan. Bu topilma tizim nazorat qilinadigan sharoitlarda gaz turi va konsentratsiya o‘zgarishlariga sezgir ekanini ko‘rsatadi. Biroq tadqiqot klassifikatsiya algoritmi, aniqlash chegarasi, noaniqlik hisobi yoki mustaqil ko‘r testni taqdim etmaydi.

Tizim gaz bilan reaksiyaga kirishadigan maxsus kimyoviy sezgir qoplamaga asoslanmaydi. Buning o‘rniga gazning tovush tezligi va so‘nish kabi fizik xususiyatlarini o‘lchaydi. Bu yondashuv ayrim ilovalarda qoplama qarishi yoki kimyoviy selektivlik muammolarini kamaytirish salohiyatiga ega. Biroq tadqiqotda kimyoviy sensorlar bilan to‘g‘ridan-to‘g‘ri uzoq muddatli taqqoslash bajarilmagani sababli pastroq drift, uzoqroq xizmat muddati yoki yuqoriroq ishonchlilik hali tajribaviy jihatdan isbotlanmagan.

Turkiya nuqtai nazaridan: Tizim Turkiyada vodorod ishlab chiqarish va saqlash infratuzilmalari, tabiiy gaz obyektlari, biogaz ilovalari, kimyo sanoati, laboratoriya gaz liniyalari, energiya saqlash tizimlari va geliy ishlatiladigan texnik obyektlarda ko‘chma sizib chiqish va aralashma monitoringi tadqiqotlariga asos bo‘lishi mumkin. Turkiyada amaliy qo‘llash uchun mahalliy gaz tarkiblari bilan ko‘p nuqtali kalibratsiya, harorat va namlik kompensatsiyasi, havodagi gazlarni sinash, pastroq konsentratsiya tajribalari, elektromagnit moslik, tebranish va qaritish sinovlari, yopiq bino va ochiq maydon sinovlari hamda portlovchi muhit xavfsizligi baholashlari bajarilishi kerak. Tadqiqotdan tijoriy sizib chiqish detektori darajasidagi yetarlilik, qonuniy o‘lchov aniqligi, portlovchi muhitlarda xavfsiz foydalanish, %0,01 aniqlash chegarasi yoki noma’lum ko‘p gazli aralashmalarni avtomatik aniqlash mumkin degan xulosa chiqarib bo‘lmaydi.

CMUT nima va gazni qanday o‘lchaydi?

CMUT sig‘imli mikromexanik ultratovush o‘zgartirgichi degan ma’noni anglatadi. Har bir hujayra sobit pastki elektrod ustida joylashgan juda yupqa va elastik membrana hamda bu ikki tuzilma orasidagi bo‘shliqdan tashkil topadi. Membrana va pastki elektrod birgalikda elektr kondensatorini hosil qiladi.

Tadqiqotning 3. sahifasidagi 1-rasm CMUT ning uzatish va qabul qilish mexanizmini kesim ko‘rinishida ko‘rsatadi. Tuzilmadagi asosiy qatlamlar quyidagilar:

• Alyuminiy yuqori elektrod.
• Kremniy nitrid membrana.
• Vakuum bo‘shlig‘i.
• O‘tkazuvchan polikristall kremniy pastki elektrod.
• Kremniy dioksid izolyatsiya qatlami.
• Kremniy tashuvchi substrat.

Uzatish vaqtida CMUT ga sobit doimiy kuchlanish va vaqt bo‘yicha o‘zgaruvchi o‘zgaruvchan kuchlanish birga qo‘llanadi. Elektrostatik kuch yupqa membranani tebratadi va atrofdagi gaz muhitiga ultratovush to‘lqini tarqaladi. Qabul qilish vaqtida kelayotgan akustik bosim membranani harakatlantiradi, hujayra sig‘imi o‘zgaradi va bu o‘zgarish elektr toki sifatida o‘lchanadi.

CMUT ning doimiy kuchlanish bilan qutblanishi uzatish va qabul qilish sezgirligini oshiradi. Ammo kuchlanish membrananing pastki elektrodga beqaror tortilib ketadigan collapse yoki pull-in chegarasiga juda yaqinlashtirilsa, chiziqli ishlash diapazoni va xavfsizlik zaxirasi kamayadi. Tadqiqotda uzatuvchi va qabul qiluvchi turli kuchlanishlarda ishlatilishining sababi shu.

Ishlatilgan CMUT massivlarining tuzilishi

Sensor boshida yuzma-yuz joylashtirilgan ikkita bir xil doirasimon CMUT massivi mavjud. Har bir massivda parallel ulangan 1.941 ta kvadrat hujayra bor. Hujayralarning yon o‘lchami 32 µm, doirasimon faol aperturaning diametri 7 mm va faol yuza ulushi %41.

Tadqiqotning 3. sahifasidagi 2(a)-rasm yuqori metall ulanishlar bilan bir-biriga bog‘langan kvadrat CMUT hujayralarining yaqin tasvirini; 2(b)-rasm esa atrofi elektr ulanish padlari bilan o‘ralgan 7 mm diametrli doirasimon massivni ko‘rsatadi.

1-jadvalda hujayra maydoni yozuvi “32² µm²” ma’nosini beradigan tarzda joylashtirilgan, biroq matn hujayra qirra uzunligini aniq 32 µm deb bergan. Shuning uchun hujayra o‘lchami 32 µm × 32 µm ekani tushuniladi.

Nega gaz tarkibi uchish vaqti va amplitudani o‘zgartiradi?

Uzatuvchi CMUT hosil qilgan ultratovush to‘lqini qabul qiluvchiga yetguncha gaz muhitida tarqaladi. Gaz tarkibi o‘zgarganda tovush tarqalish tezligi ham o‘zgarishi mumkin. Bu o‘zgarish signalning 6 mm yo‘lni bosib o‘tish vaqtiga ta’sir qiladi. Tadqiqotda bu kattalik uchish vaqti, ya’ni ToF deb atalgan.

Gazning akustik so‘nishi ham qabul qilingan signal amplitudasiga ta’sir qiladi. Shu sabab tadqiqotchilar faqat bitta o‘lchovga tayanish o‘rniga ikki akustik xususiyatdan birgalikda foydalangan:

• ΔToF: O‘lchangan uchish vaqtining sof azot referensiga nisbatan o‘zgarishi.
• ΔA: Tanlangan chastotadagi FFT amplitudasining sof azot referensiga nisbatan o‘zgarishi.

Ikki xususiyatdan birgalikda foydalanish uchish vaqti o‘zgarishi bo‘yicha o‘xshash javob beradigan gazlarni amplituda xatti-harakati bilan farqlash yoki aksincha qilish uchun qo‘shimcha ma’lumot beradi.

Avvalgi laboratoriya tizimining muammosi nimada edi?

Tadqiqotning 4. sahifasidagi 3-rasm avvalgi laboratoriya o‘lchov zanjirini ko‘rsatadi. Bu tizim quyidagilarni o‘z ichiga olgan:

• Funksiya yoki ixtiyoriy to‘lqin generatori.
• Tashqi keng polosali quvvat kuchaytirgichi.
• Bir nechta yuqori kuchlanish quvvat manbalari.
• Alohida uzatuvchi va qabul qiluvchi qutblash tarmoqlari.
• Qabul qiluvchi old kuchaytirgichi.
• Osiloskop.
• Ko‘plab quvvat, signal va yer ulanishlari.

Bu tuzilma tadqiqot laboratoriyasida moslashuvchanlik bersa-da, taxminan 63 litr hajm va 30 kg massaga yetadi. Uzun kabellar va alohida qurilmalarning yer ulanishlari havodan keladigan zaif ultratovush signalida shovqin va impedans nomosligini keltirib chiqarishi mumkin. O‘lchovlarni turli qurilmalar orasida sinxronlashtirish va natijalarni dala sharoitida olish ham qiyinlashadi.

Ixcham platformaning umumiy arxitekturasi

Tadqiqotning 4. sahifasidagi 4-rasm laboratoriya qurilmalari o‘rnini bosgan ixcham o‘lchov zanjirini ko‘rsatadi. Tizim to‘rtta asosiy qismdan iborat:

1. Yuzma-yuz joylashtirilgan CMUT uzatuvchi va qabul qiluvchi jufti.
2. Uzatuvchi va qabul qiluvchi kuchaytirgichlari, yuqori kuchlanish hosil qilish va qutblashni o‘z ichiga olgan maxsus elektron plata.
3. To‘lqin hosil qilish, sinxronlashtirish va signal olishni ta’minlaydigan Red Pitaya plata.
4. USB yoki ko‘chma batareya orqali ta’minlanadigan 5 V quvvat manbai.

Red Pitaya hosil qilgan past kuchlanishli to‘lqin maxsus uzatuvchi sxemada kuchaytirilib CMUT ga uzatiladi. Qabul qiluvchi CMUT dan keladigan juda kichik tok transimpedans kuchaytirgich bilan kuchlanishga aylantiriladi va Red Pitaya ADC si bilan raqamlashtiriladi. Uzatuvchi va qabul qiluvchi vaqtini bir tizimdan boshqarish uchish vaqtini hisoblashning takrorlanuvchanligini oshiradi.

Nega GaN asosidagi uzatuvchi kuchaytirgich ishlatilgan?

CMUT uzatuvchini keng chastota diapazonida silliq sinusoidal impulslar bilan ishlatish uchun yuqori kuchlanishli va keng polosali kuchaytirgich talab qilinadi. An’anaviy kremniy quvvat tranzistorlarining yuqori parazitik sig‘imi va kattaroq o‘tkazuvchanlik qarshiligi kichik va yuqori chastotali sxemada cheklov bo‘lishi mumkin.

Tadqiqotda galliy nitrid, ya’ni GaN tranzistori quyidagi xususiyatlari tufayli tanlangan:

• Past o‘tkazuvchanlik qarshiligi.
• Past Miller sig‘imi.
• Past gate charge va past gate drive kuchlanishi.
• Yuqori chastota va yuqori kuchlanishga moslik.
• Body diode yo‘qligi sabab reverse-recovery charge kamayishi.

Ushbu tadqiqotning e’tiborga molik jihati GaN elementini odatiy ultratovush kvadrat to‘lqin kalitlagichi sifatida emas, balki nazorat qilinadigan sinusoidal signal ishlab chiqaradigan impulsli chiziqli kuchaytirgich sifatida ishlatishidir. Tranzistor faqat ultratovush impulsi vaqtida chiziqli rejimda ishlaydi, impulslar orasida o‘chiriladi. Shu tariqa chiziqli ishlashdan kelib chiqadigan qizish va statik quvvat iste’moli kamaytiriladi.

Taxminan 131 µs faol oyna va 16,5 ms impuls oralig‘i ishlatilganda duty cycle taxminan %0,8 bo‘ladi. Tadqiqotchilar shu qisqa duty cycle tufayli prototipda maxsus sovutgich kerak bo‘lmaganini bildiradi. Biroq uzluksiz yoki yuqoriroq takrorlash tezligidagi ishlashda termal xatti-harakat alohida tekshirilishi kerak.

Nega uzatuvchi to‘lqin shakli yumshatilgan?

Standart ultratovush uzatgichlar ko‘pincha keskin qirrali kvadrat kuchlanish impulslaridan foydalanadi. Bu tadqiqot esa CMUT ni 8 MHz atrofidagi rezonansidan pastda, 0,5–5 MHz keng polosali hududda ishlatadi. Keskin qirrali impuls nomaqbul rezonans va transient tebranishlarni qo‘zg‘atishi mumkin.

Shu sabab yuboriladigan sinusoidal impuls Hanning oynasi bilan yumshatilgan. Impulsning boshlanishi va oxiri keskin emas. A ilovasidagi A3-rasm turli control voltage larida kuchaytirilgan to‘lqin shakllarini ko‘rsatadi:

• 165 mV darajada sxema cutoff ga yaqin ishlaydi va chiqish buziladi.
• 215 mV darajada sxema rail limitation ga yaqinlashadi va clipping yuz beradi.
• 190 mV darajada yanada chiziqli va kamroq buzilgan chiqish olinadi.

A ilovasi kirishdan chiqishgacha umumiy gainni taxminan 60 dB deb bildiradi. Bu gain ichiga operational amplifierning taxminan 20 dB hissasi ham kiradi.

Chastotaga bog‘liq yuk ta’siri

CMUT elektr jihatdan sig‘imli yuk hosil qiladi. A ilovasidagi A4-rasm ochiq zanjir bilan 3,1 nF, 0,95 nF va 0,15 nF sig‘imli turli CMUT yuklari uzatuvchi gainini sezilarli o‘zgartirishini ko‘rsatadi. Bir xil kirish amplitudasi ishlatilganda chastota oshishi bilan chiqish kamayishi mumkin.

A5-rasmda tadqiqotchilar kirish amplitudasini chastotaga qarab sozlab, bu pasayishni katta darajada tekislagan. Sobit drive sharoitida chastota bilan sezilarli kamayadigan gain chastotaga moslashtirilgan drive sharoitida taxminan barqaror qolgan. Bu xususiyat kelajakda multi-frequency gaz o‘lchovi uchun muhim; biroq gaz tajribalarida bu multi-frequency usul qo‘llanmagan.

Qabul qiluvchi transimpedans kuchaytirgichi

Qabul qiluvchi CMUT kelayotgan akustik to‘lqinni juda kichik elektr tokiga aylantiradi. Tadqiqotda bu tokni o‘lchanadigan kuchlanishga aylantirish uchun transimpedans kuchaytirgich ishlatilgan.

Tadqiqotning 6. sahifasidagi 6-rasm qabul qiluvchi sxemani ko‘rsatadi. Tanlangan asosiy feedback komponentlari:

• 1 MΩ feedback rezistor.
• 0,2 pF nominal feedback kondensator.
• PCB parazitlari bilan birga taxminan 0,4 pF effective feedback capacitance.

22 kΩ, 56 kΩ, 110 kΩ va 1 MΩ rezistorlar taqqoslangan. Katta feedback rezistor past megahertz hududida yuqoriroq signal gaini bersa, foydalaniladigan bandwidthni toraytiradi. Kichik rezistorlar kengroq bandwidth beradi, biroq qabul qilingan signal amplitudasini kamaytiradi.

Gaz tajribasi o‘tkazilgan taxminan 1,5 MHz uchun 1 MΩ rezistor gain va bandwidth o‘rtasidagi mos muvozanat sifatida tanlangan. Multi-frequency ilovada switchable feedback resistorlar yoki qo‘shimcha gain bosqichlari talab qilinishi mumkin.

5 V dan taxminan 100 V qanday hosil qilingan?

CMUT larni qutblash uchun taxminan 70–90 V talab qilinsa-da, ko‘chma tizim faqat 5 V USB manbadan quvvat oladi. Shu sabab plata ustida diskret elementlardan tashkil topgan step-up DC-DC converter ishlab chiqilgan.

Tadqiqotning 6. sahifasidagi 7-rasmda ko‘rsatilgan converter:

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

komponentlaridan tashkil topgan. Taxminan 100 V chiqishda talab qilinadigan tok atigi 2 mA darajasida.

Converter taxminan 16 kHz da switch qiladi. Bu switching va uning harmonikalari zaif qabul qiluvchi signaliga aralashadigan shovqin hosil qilishi mumkin. B ilovasidagi B1-rasm switching node da 16 kHz fundamental component va yuqori harmonikalarni ko‘rsatadi.

Switching shovqini qanday kamaytirilgan?

Uzatuvchi impuls boshlanganda boost converter vaqtincha to‘xtatiladi. B ilovasidagi B2-rasm converter switching uzatish va qabul qilish o‘lchov oynasi davomida yo‘qolishini, o‘lchov tugagach qayta boshlanishini ko‘rsatadi.

Converter o‘chirilganida CMUT larning yuqori kuchlanishi output capacitorlarda saqlangan energiyadan ta’minlanadi. Impulsdan keyin kuchlanish pasayadi va converter capacitorlarni qayta zaryadlaydi. B3-rasmga ko‘ra yuqori kuchlanish liniyasining taxminan 100 V ga qaytishi uchun taxminan 16,5 ms kerak. Shu sabab tizimning eng qisqa impuls oralig‘i 16,5 ms qilib tanlangan.

Bu yechim past shovqin beradi, ammo acquisition tezligini cheklaydi. Yuqoriroq tokli yoki samaraliroq converter qayta zaryadlash vaqtini kamaytirishi mumkin.

Red Pitaya asosidagi o‘rnatilgan o‘lchov tizimi

Tizimning raqamli yadrosi STEMlab 125-14 Gen 2 Red Pitaya platasidir. Plataning DAC va ADC bloklari 125 MS/s gacha namuna ola oladi. Bu tezlik 0,5–5 MHz to‘lqin shakllarini hosil qilish va qabul qilish uchun yetarli vaqt aniqligini beradi.

Tadqiqotning 6. sahifasidagi 8-rasm hardware va software oqimini ko‘rsatadi. Asosiy vazifalar quyidagilar:

• Sinusoidal va Hanning oynali uzatuvchi impulsini xotirada oldindan tayyorlash.
• Digital direct synthesis orqali DAC chiqishida hosil qilish.
• ADC acquisitionni uzatish impulsi bilan sinxronlashtirish.
• Kerak bo‘lsa bir nechta acquisitionni plata ustida o‘rtachalash.
• O‘lchov ma’lumoti va sozlamalarni UDP orqali host computerga yuborish.
• Python 3 software bilan signal processing va real-time visualization.

UDP past protocol overhead va qisqa latency sabab tanlangan. Har bir data frame ga o‘lchov indeksi va vaqt ma’lumoti qo‘shilib, uzluksiz o‘lchovlarda traceability ta’minlangan.

Signal processing bosqichlari

Qabul qilingan signal tahlili quyidagi ketma-ketlikda bajarilgan:

1. Oldindan belgilangan vaqt oynasida birinchi qabul qilingan ultratovush signalini topish.
2. Qabul qilingan signal bilan dasturlangan uzatuvchi to‘lqin orasida cross-correlation bajarish.
3. Korrelyatsiya tashqarisidagi chastota komponentlari va shovqinni kamaytirish.
4. Hilbert transform orqali signal envelope ni chiqarish.
5. Envelope cho‘qqisi joyidan uchish vaqtini aniqlash.
6. Yaroqli signal hududiga FFT qo‘llash.
7. Tanlangan excitation frequency dagi spektr amplitudasini chiqarish.
8. Natijani sof azot referensiga nisbatan farq sifatida hisoblash.

Uchish vaqti o‘zgarishi:

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

Spektr amplitudasi o‘zgarishi:

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

Bu yerda n joriy gaz o‘lchovini, \(N_2\) esa sof azot referensini bildiradi. ΔA mutlaq absorption coefficient emas; tanlangan chastotadagi qabul qilingan FFT amplitudasining azot o‘lchoviga nisbatan farqidir.

Gaz oqimi tajribasi

Gaz aralashmalari Brooks 5850S mass flow controller lar bilan tayyorlangan. Har bir maqsad gaz azot bilan ikkilik aralashma ko‘rinishida sensorga berilgan.

Gaz holatlari orasida sof azot bilan purge va referens o‘lchov bajarilgan. Bu amaliyot oldingi gazdan qolgan komponentlar ta’sirini kamaytirish hamda sekin harorat yoki elektron driftlarni qisman kompensatsiya qilish uchun ishlatilgan.

Chastota performance’i

Tadqiqotning 9. sahifasidagi 10-rasm turli qabul qiluvchi feedback rezistorlari uchun butun CMUT-uzatuvchi-qabul qiluvchi zanjirining frequency response ini ko‘rsatadi. Javob bitta circuit block ga emas, quyidagi ta’sirlarning birikmasiga bog‘liq:

• CMUT uzatuvchi sezgirligi.
• CMUT qabul qiluvchi sezgirligi.
• Qabul qiluvchi va uzatuvchi elektronikalarining bandwidthi.
• Past chastotadagi acoustic diffraction.
• Yuqori chastotadagi airborne ultrasound attenuation.
• Elektr sig‘imli yuklash.

Tizim 0,5–5 MHz oralig‘ida o‘lchanadigan signal hosil qilgan. Havodagi asosiy bandwidth tajribalarida 5 MHz gacha signal qo‘shimcha interpolation yoki averaging siz olinishi mumkin bo‘lgan. Gaz tajribasida esa yanada barqaror feature extraction uchun 20 acquisition o‘rtachalashtirilgan.

11-rasm turli center frequency larda qabul qilingan vaqt signallari va spektrlarini ko‘rsatadi. Asosiy matn oxirgi panelni 4 MHz, figure caption esa 3 MHz deb belgilaydi. Bu nomuvofiqlik tuzatilishi kerak.

Ixchamlik va quvvat iste’moli natijasi

Ixcham tizimning o‘lchov elektronikasi 1 W dan kam quvvat ishlatadi. Red Pitaya Wi-Fi ishlaganda taxminan 10 W gacha iste’mol qiladi. Taxminan 11 W umumiy iste’molga 50 Wh nominal batareya sig‘imini bo‘lish 4,5 soatlik nazariy ishlash vaqtini beradi. Haqiqiy vaqt converter yo‘qotishlari, batareya harorati va sig‘imning kamayishi tufayli qisqaroq bo‘lishi mumkin.

Qayta ishlangan signallar nimani ko‘rsatadi?

Tadqiqotning 10. sahifasidagi 12-rasm sof N₂, %4 H₂ + %96 N₂ va %4 CO₂ + %96 N₂ uchun cross-correlation dan keyin olingan signallarni taqqoslaydi. Har bir grafikda:

• Vaqt sohasidagi qayta ishlangan ultratovush to‘lqini.
• Hilbert envelope.
• Uchish vaqtini beruvchi envelope peak nuqtasi.
• 1,5 MHz dagi FFT amplitudasi

ko‘rsatilgan. H₂ va CO₂ aralashmalari ham peak joylashuvida, ham spektr amplitudasida azot referensidan farq hosil qilgani ko‘rinadi.

Konsentratsiya bosqichlariga javob

11. sahifadagi 13(a)-rasm tajriba davomida ΔToF va ΔA ning vaqt bo‘yicha o‘zgarishini; 13(b)-rasm esa qo‘llangan gaz va konsentratsiya dasturini ko‘rsatadi. Har bir uch daqiqalik bosqichda taxminan 540 data point to‘plangan.

Gazni almashtirish paytida qisqa transition deviationlar yuz bergan. Tadqiqotchilar buni flow-control valve larning kechikishi va gaz almashtirish vaqtida oqim buzilishlari bilan bog‘lagan. Vakillik qiymatlar ushbu transient hududlardan qochish uchun har bir bosqichning o‘rta qismidan olingan.

%4 dan %1 gacha pasayuvchi konsentratsiya qatorlari uchun first-order linear trendlar qo‘llangan. Bu chiziqlar ish diapazonidagi response directionni ko‘rsatadi; mustaqil validation qilinmagani sabab barcha konsentratsiyalarda amal qiluvchi to‘liq kalibratsiya modellari sifatida baholanmasligi kerak.

ΔA–ΔToF xaritasi

11. sahifadagi 14-rasm H₂, CO₂, CH₄ va He uchun o‘lchangan amplitude change ni uchish vaqti o‘zgarishiga qarshi ko‘rsatadi. To‘rtta gaz oilasi turli trajectorylar hosil qilgan:

• H₂, CO₂, CH₄ va He nuqtalari bir chiziqda to‘liq ustma-ust tushmaydi.
• Gaz konsentratsiyasi o‘zgarganda har bir gaz o‘z trendi bo‘ylab siljiydi.
• Har bir gazdan %1 ni o‘z ichiga olgan aralash gaz nuqtasi oraliq hududda joylashgan.

Bu natija ikki akustik xususiyatni birgalikda ishlatish gaz turi haqida ma’lumot tashishini ko‘rsatadi. Biroq rasm faqat vizual ajraluvchanlikni ko‘rsatadi; trained classifier, blind test, confidence region yoki error matrix mavjud emasligi sabab quantitative “gas recognition accuracy” hisoblab bo‘lmaydi.

Barqarorlik va drift

Tadqiqotchilar qisqa tajriba vaqtida harorat driftining cheklanganini va azot referenslari sekin o‘zgarishlarni kamaytirganini bildiradi. Matnda yana uzoqroq kuzatuvlarda taxminan 11 soat davomida residual ΔToF baseline drift taxminan %0,5 bo‘lgani aytilgan.

Biroq uzoq muddatli testning batafsil time series’i, takrorlar soni va turli environmental conditionlardagi ekvivalenti asosiy figuralarda berilmagan. Shu sabab %0,5 qiymat uzoq muddatli mahsulot barqarorligi yoki dala kalibratsiya oralig‘i sifatida ishlatilmasligi kerak.

Tadqiqotning kuchli tomonlari

• CMUT, yuqori kuchlanish hosil qilish, uzatuvchi, qabul qiluvchi va tez acquisitionni bitta ko‘chma zanjirda birlashtiradi.
• GaN tranzistorini impulsli chiziqli kuchaytirgich sifatida ishlatib, nazorat qilinadigan sinusoidal yuqori kuchlanish hosil qiladi.
• Uzatuvchi va qabul qiluvchi CMUTlarning qutblash kuchlanishlari mustaqil sozlanishi mumkin.
• Yuqori kuchlanish converteri o‘lchov vaqtida to‘xtatilib, switching shovqini kamaytiriladi.
• Qabul qiluvchi feedback rezistori almashtirilib gain va bandwidth sozlanishi mumkin.
• 0,5–5 MHz oralig‘ida havodan o‘lchanadigan ultratovush uzatish ko‘rsatilgan.
• H₂, CO₂, CH₄ va He uchun haqiqiy nazorat qilinadigan gaz oqimi tajribalari bajarilgan.
• Uchish vaqti va spektr amplitudasi bir xil o‘lchovdan birgalikda chiqarilgan.
• Avvalgi laboratoriya tizimiga nisbatan hajm va massa taxminan 30 marta kamaytirilgan.
• Batareya va Wi-Fi bilan tarmoq elektridan mustaqil o‘lchov ko‘rsatilgan.

Tadqiqotning cheklovlari

• Tadqiqot peer review’dan o‘tmagan preprintdir.
• Gazni aniqlash tajribasi faqat 1,5 MHz da bajarilgan.
• Akustik yo‘l faqat 6 mm.
• Sinovdan o‘tkazilgan eng past bitta gaz konsentratsiyasi %1.
• Aniqlash chegarasi, quantitative accuracy va uncertainty budget berilmagan.
• Gaz klassifikatsiya aniqligi yoki false-alarm rate hisoblanmagan.
• Har bir gaz uchun mustaqil takrorlar va error bar lar aniq hisobot qilinmagan.
• Aralash gaz tajribasi faqat bitta composition point dan iborat.
• Gazlarning havo, kislorod yoki real sanoat fonidagi xatti-harakati sinovdan o‘tkazilmagan.
• Namlik nazoratli tarzda o‘zgartirilmagan.
• Bosim o‘zgarishi tekshirilmagan.
• Gaz transition va purge vaqtlar quantitative response-time model bilan baholanmagan.
• Gaz tajribasida 20 signal average ishlatilgan.
• Signal processing hali host computerda bajariladi, to‘liq plata ustiga ko‘chirilmagan.
• Prototip 1 kg va yakuniy mini-sensor o‘lchamida emas.
• Haqiqiy batareya ish vaqti tajribaviy ko‘rsatilmagan.
• GaN elementining harorati va uzoq muddatli chiziqli ishlash ishonchliligi o‘lchanmagan.
• Yuqori kuchlanish xavfsizligi va enclosure dizayni baholanmagan.
• EMC, tebranish va mexanik zarba sinovlari bajarilmagan.
• Portlovchi muhit sertifikatsiyasi yoki spark safety ko‘rsatilmagan.
• Ishlab chiqarish tannarxi va mass-production analysis yo‘q.
• GaN element nomi, o‘lchov chastotasi va DAC working point bo‘yicha matn ichida nomuvofiqliklar mavjud.

Tadqiqot nimani qo‘llab-quvvatlaydi?

Tadqiqot ikki CMUT orasida tarqaladigan ultratovush signalining uchish vaqti va amplitudasi nazorat qilinadigan H₂, CO₂, CH₄ va He aralashmalaridagi konsentratsiya o‘zgarishlariga javob berishini qo‘llab-quvvatlaydi. Bundan tashqari, avval ko‘plab laboratoriya qurilmalari talab qilgan asosiy uzatish, qabul qilish, yuqori kuchlanish va data acquisition funksiyalarini taxminan 1,9 litr hajmdagi batareyali platformada birlashtirish mumkinligini ko‘rsatadi.

Tajriba natijalari impulsli chiziqli GaN kuchaytirgichini keng polosali sinusoidal CMUT drive uchun ishlatish mumkinligini, transimpedans qabul qiluvchini feedback elementlari bilan sozlash mumkinligini va boost converter ni o‘lchov vaqtida o‘chirish zaif signal o‘lchovini osonlashtirishini qo‘llab-quvvatlaydi.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

Tadqiqot tizim noma’lum gazlarni avtomatik va xatosiz aniqlashini, %0,01 darajadagi gazni aniqlashini, haqiqiy sanoat sizib chiqishlariga yetarli tez javob berishini yoki harorat va namlik o‘zgarishlaridan mustaqil ekanini isbotlamaydi. Gazlarning ΔA–ΔToF egri chiziqlari ajralishi o‘z-o‘zicha sertifikatlangan selektivlik yoki quantitative classification performance degani emas.

Tadqiqot CMUT yondashuvi kimyoviy gaz sensorlariga qaraganda uzoqroq umr, pastroq xarajat yoki yuqoriroq ishonchlilikka ega ekanini ham to‘g‘ridan-to‘g‘ri ko‘rsatmaydi. Bu foydalar gaz bilan reaksiyaga kirishadigan sezgir qoplama ishlatilmasligidan kelib chiqadigan tadqiqot salohiyatidir va uzoq muddatli taqqoslama tajribalar bilan tasdiqlanishi kerak.

Tadqiqot usuli va topilmalari

Sensor boshining asosiy xususiyatlari

Elektron tizim komponentlari

O‘rnatilgan platforma va aloqa

Qabul qiluvchi feedback taqqoslanishi

Gaz tajribasining ishlash ketma-ketligi

1. Sof N₂ sensor boshiga berilib reference measurement olingan.
2. Maqsad gaz va N₂ mass flow controllerlar bilan kerakli nisbatda aralashtirilgan.
3. Umumiy gaz oqimi 100 cm³/min da ushlab turilgan.
4. Uzatuvchi CMUT ga 1,5 MHz va 20 µs davomiylikdagi impuls qo‘llangan.
5. Qabul qiluvchi CMUT dan kelgan signal TIA bilan kuchaytirilgan.
6. Har bir measurement point uchun 20 acquisition o‘rtachalashtirilgan.
7. Qayta ishlangan data taxminan 0,32 soniyada host computerga yuborilgan.
8. Cross-correlation va Hilbert envelope dan ToF aniqlangan.
9. FFT dan 1,5 MHz amplitudasi chiqarilgan.
10. ΔToF va ΔA qiymatlari sof N₂ referensiga nisbatan hisoblangan.
11. Har bir konsentratsiya bosqichining o‘rta qismidagi barqaror qiymatlar ishlatilgan.

Asosiy sonli natijalar

Matn ichidagi texnik nomuvofiqliklar

Amaliyotdan oldin zarur validatsiyalar

• Gaz tajribalari 0,5–5 MHz oralig‘ida multi-frequency tarzda takrorlanishi kerak.
• Har bir gaz uchun %1 dan past ko‘plab calibration point ishlatilishi kerak.
• Detection va quantification limitlar hisoblanishi kerak.
• Independent blind gas samplelar bilan classification accuracy o‘lchanishi kerak.
• Bir nechta gaz turli nisbatlarda bo‘lgan keng mixture dataset yaratilishi kerak.
• Harorat, namlik va bosim o‘zgarishlari kalibratsiyaga kiritilishi kerak.
• Havo va kislorodli realistik background gas ishlatilishi kerak.
• Response, purge va valve-delay vaqtlar alohida o‘lchanishi kerak.
• Turli CMUT manufacturing batchlar orasidagi sensor-to-sensor variability aniqlanishi kerak.
• Uzoq muddatli baseline, repeatability va aging tajribalari bajarilishi kerak.
• GaN elementining harorati va chiziqli ishlash ishonchliligi kuzatilishi kerak.
• Red Pitaya o‘rniga kichikroq va kam quvvatli embedded hardware baholanishi kerak.
• Signal processing to‘liq plata ustiga ko‘chirilishi kerak.
• Yuqori kuchlanish qismi electrical-safety enclosure ga joylashtirilishi kerak.
• EMC, tebranish, zarba va ko‘chma batareya sinovlari bajarilishi kerak.
• Vodorod va metan ilovalari uchun explosive-atmosphere safety tasdiqlanishi kerak.
• Pilot obyektlarda haqiqiy sizib chiqish va shamollatish sharoitida dala sinovlari bajarilishi kerak.

Manba va usul eslatmasi

Tadqiqotning to‘liq asl nomi:Compact CMUT Gas Sensor Integrating GaN-Based Amplifier

Mualliflar va tartibi: Yilihamu Abudujiasuer; Rida Yachouti; Etienne Lemaire; Flavien Barcella; Thierry Potier; Fabrice Mathieu; Isabelle Dufour; Dominique Certon.

Teng hissa qo‘shgan muallif ma’lumoti: Tadqiqotda teng hissa yoki co-first authorship bayonoti yo‘q.

Mas’ul muallif: Yilihamu Abudujiasuer.

Mas’ul muallif elektron pochtasi: yilihamu.abudujiasuer@univ-tours.fr

Institutsional bog‘lanishlar:

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.

Muallif-muassasa mosligi:

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

Manba turi: CMUT sensor fabrication, custom electronic-circuit development, frequency characterization va controlled gas-flow experiments ni o‘z ichiga olgan eksperimental preprint research article.

Mavzu sohasi: MEMS gas sensorlar, CMUT, airborne ultrasound, GaN amplifierlar, embedded electronics, time-of-flight measurement va acoustic gas discrimination.

Peer-review holati: Tadqiqot peer review’dan o‘tmagan. Yuklangan versiyaning har bir sahifasida preprint va peer-review ogohlantirishi mavjud.

Nashr platformasi: SSRN.

Platforma provayderi: Elsevier SSRN Preprint Services.

SSRN record number: 7201800.

DOI:10.2139/ssrn.7201800

Rasmiy havola:SSRN record page

Nashr yili: 2026.

Jurnal: Peer-reviewed jurnalda nashr etilgani tasdiqlanmagan.

Asl jurnal nashriyoti: Tasdiqlangan peer-reviewed jurnal yoki yakuniy jurnal nashriyoti yo‘q. SSRN preprint platformadir va peer-reviewed jurnal sifatida ko‘rsatilmasligi kerak.

Moliyalashtirish: Tadqiqot French National Research Agency tomonidan qo‘llab-quvvatlangan MIGNON loyihasi doirasida moliyalashtirilgan. Maqolada grant raqami ANR-22-CE42-0012-04 sifatida berilgan. Tadqiqot University of Tours tarkibidagi CERTeM technological platformadan ham foydalangan.

MIGNON asosiy loyiha yozuvi:ANR-22-CE42-0012

Manfaatlar to‘qnashuvi: Yuklangan asosiy matnda alohida va aniq conflict-of-interest bayonoti mavjud emas.

Muallif hissalari: CRediT yoki shunga o‘xshash batafsil author-contribution bayonoti yo‘q.

Data va kodga kirish: Raw gas-measurement data, PCB fabrication files, circuit-design files, Red Pitaya source code yoki Python analysis code uchun open repository link berilmagan.

Supporting-information holati: Asosiy circuit va characterization tafsilotlari main textning A va B ilovalarida berilgan. Alohida supporting-information file ga havola yo‘q.

Bibliografik va texnik ogohlantirish: Asosiy matnda GaN element modeli, 11-rasmning oxirgi chastotasi va nominal DAC DC control darajasi bo‘yicha bir-biridan farqli ifodalar bor. Yakuniy nashrdan oldin bu joylar tuzatilishi kerak.

Ushbu o‘zbekcha izoh yuklangan tadqiqotning butun asosiy matni, jadvallari, circuit diagramlari, frequency curve lari, time signal lari, gas-response graphlari va A–B ilovalardagi technical analysis o‘rganilib tayyorlangan. Ilmiy mazmun faqat tadqiqotda taqdim etilgan experimental resultlar va tadqiqotchilar talqini bilan cheklangan. Tashqi manbalar faqat title, author, DOI, platform, institution va project ma’lumotlarini bibliografik tekshirish uchun ishlatilgan.

Natijalar tadqiqot peer review’dan o‘tmaganligi, gas experimentlar single frequency va short acoustic path bilan cheklangani, minimum tested concentration %1 bo‘lgani, multi-gas experiment faqat bitta compositionni o‘z ichiga olgani, classification va detection-limit metriclar berilmagani, environmental variablelar sinovdan o‘tkazilmagani va prototype hanuz host computerga bog‘liq ekanini hisobga olgan holda baholanishi kerak.