sensores acÚsticos: el cristal resonador de cuarzo, mucho mas que un patrÓn de frecuencia...

SENSORES ACÚSTICOS: EL CRISTAL RESONADOR DE CUARZO, MUCHO MAS QUE

UN PATRÓN DE FRECUENCIA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

ACTIVIDADES ACADÉMICAS

RED ALFA - 2002

El CRISTAL DE CUARZO COMO SENSOR

CONTENIDO

EL CUARZO COMO SENSOR

Problemática de las técnicas actuales:OSCILADORES

Propuesta de una solución alternativa

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

CRISTAL DE CUARZO Y OSCILADORES

EL CRISTAL DE CUARZO – COMPONENTE ELECTRÓNICO

OSCILADORES

El Cristal de cuarzo como elemento de control dela frecuencia de un circuito oscilador

Impedancia del cuarzo

Circuito equivalente

El cuarzo en el circuito

Osciladores a cristal

EL CRISTAL DE CUARZO

Aplicación: EL CUARZO COMO SENSOR

La microbalanza de cuarzo

EJEMPLO DE APLICACIÓN: SENSORES DE CUARZO






Ecuación de Onda



El Sensor de Cuarzo



El Sensor de CuarzoAdmitancia Eléctrica

Parámetros de medida• Frec. Res. Serie Dinámica

• Resistencia Dinámica


Problemática de las técnicas actuales: OSCILADORES

Problema en la medida de la frecuencia

Condición



Problema en la medida de la Resistencia



Problema en la medida de la Resistencia

Condición

Co*=10 pF

Co*=3 pF

EJEMPLO DE APLICACIÓN: SENSORES DE CUARZOPropuesta de una solución alternativa:

CIRCUITO DE COMPENSACIÓN CAPACITIVA

Principio de funcionamiento y compensación

iuR

Cv CI v

IQ

A1

A2

A

B

i

iR

2ui ui

Rv

vR

uA

uB= ui



Descripción del Sistema

u A1

A2

A

B

uA

SENSOR

Jp

DA2 uRm

A'

B'

DA1

UP

DN

IFvcxo

2u i

u

L1

R

IC1

IC2

PFD LPFs

MC12061

CLC449

CLC449

AD8307

AD8307

MCE1651

MCH12140

OP27

OP27

OP27

fexp

i

Ri

i

Rv

Rv

Cv

L2

uB

Ra

A

AFilter

=25

20 MHz

50 Filter

SENSOR CIRCUIT

1 2

Capacitance CompensationCircuit

BUFFER

OSC20 MHz

10 MHz

Operación

1. Calibración

2. Compensación

3. Monitorización

u A1

A2

A

B

uA

SENSOR

Jp

DA2 uRm

A'

B'

DA1

UP

DN

IFvcxo

2u i

u

L1

R

IC1

IC2

PFD LPFs

MC12061

CLC449

CLC449

AD8307

AD8307

MCE1651

MCH12140

OP27

OP27

OP27

fexp

i

Ri

i

Rv

Rv

Cv

L2

uB

Ra

A

AFilter

=25

20 MHz

50 Filter

SENSOR CIRCUIT

1 2


BUFFER

OSC20 MHz

10 MHz



Automatización del Sistema

Ventajas

1. Calibración multi-frecuencia automática

2. Compensación automática

3. Multi-sensor y multi-frecuencia

u A1

A2

A

B

uA

SENSOR

Jp

DA2uRm

A'

B'

DA1

UP

DN

2u i

u

L1

R

IC1

IC2

PFD LPFs

CLC449

CLC449

AD8307

AD8307

MCE1651

MCH12140

OP27

OP27

fLock

i

Ri

i

Rv

Rv

Cv

L2

uB

Ra

=25

50

SENSOR CIRCUIT

1 2


BUFFERCal. and Lock-in

Rm Voltage

Programable

Digital

Control

SYNTH.

AD9852 Voltages

50

EJEMPLO DE APLICACIÓN: SENSORES DE CUARZODiseño e Implementación

Diseño+5V

R33510

-5V

+5V

R3

470

C21100n

R19

270

C22

1n

-5V +5V

R21

25

C16

100n

J3SENSOR

12345

+

-

U7

OP27G/SO

3

2

1 847

6

R14510

-5V

C3

100n

R29

500 C18

100n C20

100n

-5V

-5V

-5V

C8

100n

LEVEL1

C10

100n

R6

270

D1

1N4007

1 2

R23510

R7

1k

R29

100k

R29

500

U8AD8307

1

8

2 3

4

567

IN-

IN+ GN

DO

fs

Out

Int

Enb

Vps

J6

CON3_V

123

R5

470

C281n

-5V

+5V

R26

1k

+5V

D2

1N4007

1 2

C221n

+

-

U2

OP27G/SO

3

2

1 847

6

-5V

C27100n

R210k

LEVEL1

C23100n

C12

100n

C22

1n

+

-

GND Vee

VccQa

Qa

U5A

MC10E1651

8

7

3

910

5 4

2

1320

+5V

+5V

R2125

J5

CON4

1234

U1

AD8307

1

8

2 3

4

567

IN-

IN+ GN

DO

fs

Out

Int

Enb

Vps

C1922n

C26100n

C251n

R4

270

+

-

U4A

AD8058

3

21

84

R24

470

C1122n

CP25u

R29

100k

CP110u

+

-

U4B

AD8058

5

67

84

+5V

C2

100n

CP5

1n

C22

1n

-5V

R3552.3

J1

CON3

123

R17

25

J3SMA IN

1

2345 -5V

LEVEL2

R10

10k

R28

3

1

2

-5V

C4

100n

-5V -5V

CP410u

D3

+5V

R13510

-5V

LEVEL2

+

-

GND Vee

VccQa

Qa

U5B

MC10E1651

15

14

189

10

17 19

2

1320

C622n

C1722n

R22510

C14

100n

-5V

R32

10k

C22

1n

+5V

-5V

R28

3

1

2

R1610kR18

470

R152.3

-5V

C15

100n

C24100n

-5V

R20

510

C7

1n

R25

270

U6

MC12040/SO

76

21

43

8

5

RV

UU

DD

VC

C

VE

E

R283

1

2

+5V

C5

100n

R9

510

R31510

C1

100n

CP3

1n

EJEMPLO DE APLICACIÓN: SENSORES DE CUARZODiseño e Implementación

Diseño Implementación

EJEMPLO DE APLICACIÓN: SENSORES DE CUARZOConclusiones

Relación de Conocimientos Necesarios

CONOCIMIENTOS

ASIGNATURAS RELACIONADAS

Herramientas Matemáticas

Álgebra Matricial (1 O) Cálculo Diferencial (1 O)

Ecuaciones Maxwell Física II (2 T) Campos Electromagnéticos (4 T)

Herramientas de Simulación

Laboratorio de Diseño Electrónico por Ordenador (3º O)

Subsistemas y Sistemas Electrónicos

Electrónica Analógica (3 T) Electrónica Digital (3 T) Subsistemas Analógicos (4 O) Subsistemas Electrónicos de Comunicación (8 Op)

Herramientas de Lenguajes de Diseño Hardware

Sistemas Integrados (9 Op) Diseño de Circuitos (6 T)

Transmisión de Ondas Líneas de Transmisión (5 O)

Adquisición de Datos Instrumentación Electrónica (6 T) Transductores y Adquisición de Datos ( 8 Op)

EJEMPLO DE APLICACIÓN: SENSORES DE CUARZOBibliografía

Libros

•“Phase Locked Loops: Design, simulation and applications”R. E. BestEd. McGraw Hill, 1999 •“Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation”E.FrerkingEd. Van Nostrand Reinhold Company •“El Sensor de Cuarzo. Introducción a la Caracterización de Procesos Superficiales”A. Arnau, Y. Jiménez T. Sogorb Ed. Antonio Arnau Vives, 2000

Artículos de Investigación

•“Circuit for Continuous Motional Series Resonant Frequency and Motional Resistance Monitoring of Quartz Crystal Resonators by Parallel Capacitance Compensation”A. Arnau, T. Sogorb, Y. JiménezReview of Scientific Instruments Vol. 73 Iss. 7, 2000

•“Interface Circuits for quartz-crystal-microbalance sensors”F. Eichelbaum, R. Borngräber, J. Schröder, R. Lucklum and P. HauptmanReview of Scientific Instruments Vol. 70 Iss. 5, 2000

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Documents