Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение углеродных нанотрубок в качестве чувствительных элементов газовых сенсоров 15
1.1 Анализ перспективности применения микро- и наноструктур на основе углеродных нанотрубок для создания приборов микро- и наноэлектроники, микросистемной техники 15
1.1.1 Газовые датчики сорбционного типа на основе углеродных нанотрубок 18
1.1.2 Газовые датчики ионизационного типа на основе углеродных нанотрубок 20
1.1.3 Газовые датчики ёмкостного типа на основе углеродных нанотрубок 25
1.1.4 Газовые датчики на основе смещения резонансной частоты
1.2 Структура, свойства и методы получения углеродных нанотрубок 31
1.3 Методы контролируемого выращивания углеродных нанотрубок
1.3.1 Химическое осаждение из газовой фазы 33
1.3.2 Плазмохимическое осаждение из газовой фазы
1.4 Механизмы роста углеродных нанотрубок 35
1.5 Анализ факторов, влияющих на структуру и свойства углеродных нанотрубок, полученных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы
1.5.1 Влияние состава газовой смеси 37
1.5.2 Влияние уровня мощности плазмы 39
1.5.3 Влияние длительности воздействия аммиака 40
1.5.4 Влияние давления в камере 42
1.5.5 Влияние параметров каталитического слоя 44
1.5.6 Влияния материала подслоя и катализатора на параметры углеродных нанотрубок 47
1.6 Методы локального формирования каталитических центров 49
1.6.1 Метод локального анодного окисления 49
1.6.2 Метод фокусированных ионных пучков 52
1.6.3 Электронно-лучевая литография 53
1.7 Выводы по главе 1 56
ГЛАВА 2. Разработка теоретических основ формирования каталитических центров 59
2.1 Термодинамический анализ процессов в структуре Ni/Cr/Si при формировании каталитических центров и росте углеродных нанотрубок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы 60
2.1.1 Термодинамический анализ процессов на этапе нагрева 61
2.1.2 Термодинамический анализ процессов на этапе «активации» 70
2.1.3 Термодинамический анализ процессов на этапе роста 2.2 Отжиг металлических пленок на кремниевой подложке 72
2.3 Особенность процесса обменной диффузии в многослойных структурах 74
2.3.1 Определение ширины диффузионной области в подложке 76
2.4 Размер и плотность каталитических центров на подложке 78
2.5 Выводы по главе 2 83
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процессов формирования каталитических центров и роста углеродных нанотрубок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы 85
3.1 Исследование влияния материала подслоя на роста УНТ 86
3.2 Исследование технологических режимов формирования каталитических центров и роста углеродных нанотрубок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы
3.2.1 Влияние температуры нагрева на формирование каталитических центров 91
3.2.2 Влияние времени активации на формирование каталитических центров 97
3.2.3 Влияние температуры роста на геометрические размеры углеродных нанотрубок 101
3.2.4 Влияние скорости нагрева на параметры углеродных нанотрубок 106
3.2.5 Влияние времени активации на параметры углеродных нанотрубок 109
3.2.6 Влияние времени роста на параметры углеродных нанотрубок
3.3 Разработка и исследование методики локального формирования каталитических центров для роста углеродных нанотрубок 117
3.4 Выводы по главе 3 123
ГЛАВА 4. Разработка и исследование макета газового сенсора с чувствительным элементом на основе углеродных нанотрубок 126
4.1 Разработка конструкции и изготовление макета газового датчика с чувствительным элементом на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 126
4.2 Исследование макета в режиме вакуумметра 130
4.3 Исследование макета в режиме сенсора газов 137
4.4 Анализ вольт-амперных характеристик макета с помощью метода спектрального анализа 141
4.5 Разработка технологического маршрута изготовления сенсора газов на основе упорядоченного ориентированного массива углеродных нанотрубок 148
4.6 Выводы по главе 4 156
Заключение 157
Список сокращений 159
Список используемых источников 160
- Газовые датчики ёмкостного типа на основе углеродных нанотрубок
- Термодинамический анализ процессов на этапе нагрева
- Исследование технологических режимов формирования каталитических центров и роста углеродных нанотрубок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы
- Анализ вольт-амперных характеристик макета с помощью метода спектрального анализа
Газовые датчики ёмкостного типа на основе углеродных нанотрубок
Проблема детектирования газовых молекул с низкой адсорбционной энергией [34] была решена в датчиках ионизационного типа. Принцип действия датчиков данного типа основан на определении характеристик ионизации газов, полученных при столкновении ускоренных электронов с молекулами газа. Из-за отсутствия адсорбции и химического взаимодействия между чувственным элементом и исследуемым газом удается идентифицировать газы с низкой адсорбционной энергией. Однако датчики ионизационного типа не находят широкого применения из-за следующих недостатков: - неудовлетворительные массогабаритные характеристики; - высокие рабочие напряжения (102-103 В), и, как следствие, повышенное энергопотребление.
Использование УНТ в качестве одного из электродов датчика позволяет частично решить данные проблемы. За счет высокого аспектного отношения создается большой коэффициент усиления электрического поля и тем самым удается инициировать разряд при более низких напряжениях [35, 36]. На рисунке 1.4 представлена схема конструкции газового датчика ионизационного типа на основе массива вертикально ориентированных УНТ (ВОУНТ) [37].
Конструкция датчика состоит из массива ВОУНТ, выступающего в качестве анода, катода, выполненного из алюминия и стеклянного изолятора толщиной 150 мкм, расположенного между ними. Массив ВОУНТ выращивался методом ПХОГФ на подложке SiO2. Диаметр и высота ВОУНТ составляли 25-30 нм и 30 мкм, соответственно (рисунок 1.4, б).
При приложении разности потенциалов между анодом и катодом датчика, ВОУНТ создают высокую напряженность электрического поля вблизи вершин [38], что приводит к образованию «коронного разряда» или области высокой проводимости ионизированного газа, что способствует образованию самоподдерживающегося межэлектродного разряда при более низком напряжении. По сравнению с ионизационным датчиком с металлическим анодом, напряжение пробоя воздуха для датчика с ВОУНТ было снижено с 960 В до 346 В [39].
Газовый датчик ионизационного типа: а) схема датчика; б) массив ВОУНТ Экспериментальные исследования для NH3, CO2, N2 , O2, He, Ar и воздуха, результаты которых представленны на рисунке 1.5, позволили определить напряжения пробоя для каждого газа [37].
ВАХ пробоя исследуемых газов Фиксированное напряжение пробоя обеспечивает идентификацию газа и делает возможным определение состава газовой смеси. При этом с увеличением концентрации газа напряжение пробоя меняется незначительно, а ток разряда для каждого газа увеличивается линейно (рисунок 1.6). Это объясняется тем, что на ток разряда влияет объемная концентрация газовых молекул, а пробивное напряжения зависит главным образом от напряженности электрического поля и энергии связи молекул газа.
На рисунке 1.7 показана зависимость напряжения пробоя от концентрации воздуха в ионизационном датчике [37], согласно которой, сначала напряжение пробоя уменьшается с увеличением концентрации молекул газа, а затем увеличивается. Снижение пробивного напряжения при уменьшении концентрации молекул газа связано с зависимостью тока разряда от количества нейтральных молекул, которые образуют электронно-ионные пары при ионизации. С увеличением концентрации молекул газа до определенного значения, скорость ионизации начинает определяться длиной свободного пробега электронов. При последующем повышении концентрации, длина свободного пробега уменьшается, что приводит к повышению пробивного напряжения [40].
Зависимость начального напряжения пробоя от концентрации молекул в воздухе Анализ влияния поверхностного электрического поля на энергию взаимодействия молекул газа проведен в работе [41]. Важным фактором, влияющим на процесс ионизации, является расстояние между анодом и катодом, определяющее критическую напряженность электрического поля. В соответствии с кривой Пашена, напряжение пробоя уменьшается при сокращении расстояния между электродами. Однако в ионизационном датчике, электроды которого расположены по типу емкостной структуры, трудно контролировать зазор между электродами.
Решить данную проблему удалось в ионизационном датчике планарного типа, которая представлена на рисунке 1.8, где использовалась конфигурация электродов с УНТ выращенными на боковых стенках [42]. Расстояния между электродами составило 6-12 мкм, что позволило снизить пороговое напряжение до 5-40 В.
Ионизационный газовый датчик планарного типа: а) схема конструкции датчика; б) принцип работы
На стеклянной подложке формировались электроды, на которые, методом электрофореза осаждались УНТ. Поверх УНТ формировалась тонкая пленка TiO2 с целью создания диэлектрического барьера [42]. Определение газов в данном датчике происходило по величине пробивного напряжения (рисунок 1.9,а). Диэлектрической слой TiO2 позволил снизить напряжение пробоя и улучшить воспроизводимость результатов (рисунок 1.9, б).
ВАХ пробоя: а) CH4, He, Ar, Воздух, N2, O2; б) до и после покрытия УНТ слоем TiO2 (для воздуха) Таким образом, низкие энергопотребление и напряжение пробоя, высокая селективность и совместимость техпроцесса создания со стандартными процессами микроэлектроники, а также небольшие размеры ионизационных датчиков планарного типа на основе УНТ дают большую перспективу их применения. Ограничивающим фактором для их широкого применения является необходимость применения устройств обработки сигнала с высокой чувствительностью, а также деградация чувствительного элемента с УНТ из-за «коронных» разрядов.
Термодинамический анализ процессов на этапе нагрева
Анализ зависимостей G(Т) (2.1)-(2.2) представленных на рисунке 2.2, при давлении 4,5 Торр показал, что наиболее вероятна реакция окисления Ni из остаточного кислорода, т.к. с водой Ni не взаимодействует. При этом Ni окисляясь кислородом из атмосферным образует NiO и контактируя с Cr восстанавливается до чистого Ni, с образованием оксида хрома. Однако продолжающееся поступление атомов кислорода из атмосферы способствует окислению пленки Ni до тех пор, пока хром не насытиться кислородом с образованием устойчивого оксида хрома. При этом наиболее вероятно образование Cr2O3, однако возможно присутствие CrO и Cr2O. Таким образом, перед началом процесса формирования КЦ и выращивания УНТ следует учесть, что пленки подслоя и катализатора могут быть окислены. Прямое взаимодействие Ni и Cr при используемых режимах процесса ПХОГФ можно исключить, основываясь на фазовой диаграмме (рисунок 2.5), которая показывает, что до 1800 С Ni и Cr не взаимодействуют.
На этапе нагрева в реакционной камере поддерживается давление 4,5 Торр, при этом одновременно подается NH3 (15 см3/мин) и Ar (40 см3/мин). Принимая во внимание, что Ar – инертный газ, который служит для заполнения объема камеры и вытеснения остаточной атмосферы в процессе нагрева, можно исключить реакции его взаимодействия с компонентами структуры.
Под действием температуры, аммиак распадается на N2 и H2, о чем свидетельствует анализ зависимостей G(Т) (рисунок 2.6). NH3 N2 + H2. (2.10) Рисунок 2.6 – Зависимость изменения энергии Гиббса от температуры для реакции разложения аммиака Рассмотрим реакции разложения аммиака в присутствии кислорода из остаточной атмосферы, а также прямое взаимодействие кислорода с водородом, полученного при диссоциации аммиака: NH3 + O2 NO + H2O (2.11) NH3 + O2 N2 + H2O (2.12) Результаты расчета потенциала Гиббса для реакций (2.11)-(2.12) представлены на рисунке 2.7
Зависимость изменения энергии Гиббса от температуры для реакций (2.11)-(2.12) Как было установлено из реакции (2.10), выделяющийся в результате разложения аммиака водород, может взаимодействовать как с остаточным кислородом в камере, так и с оксидом никеля. Проанализируем, какая этих следующих конкурирующих реакций наиболее вероятна на этапе нагрева при режимах процесса ПХОГФ:
По результатам анализа установлено, что наличие аммиака с относительно низкой концентрацией (15 см3/мин) позволяет очистить камеру от паров остаточного кислорода за счет окисления свободного водорода, полученного разложением аммиака с образованием паров воды. При этом образующиеся пары воды откачиваются насосом вакуумной системы, что позволяет очистить камеру. Однако восстановить NiO в условиях малой концентрации аммиака не представляется возможным. Можно предположить, что азот, как инертный газ, не взаимодействует с материалами структуры и откачивается вакуумной системой, однако в результате нагрева возможно взаимодействие между кремнием и вероятными оксидами хрома с образованием силицида хрома и частичным окислением Si (рисунок 2.9). мольная фракция
На основе анализа полученных зависимостей G(Т) (рисунок 2.10) можно сделать вывод, что наиболее вероятно образование CrSi2 и SiO2.
Таким образом можно заключить, что в процессе передачи образца из камеры напыления в камеру выращивания УНТ и последующем нагреве, материал структуры (рисунок 2.1) окисляется, причем Cr поглощает часть кислорода из пленки NiO и структура приходит к виду NiO/CrxOy/CrSi2/SiO2/Si. На этапе нагрева происходят процессы очистки камеры от нежелательных паров воды и остаточного кислорода, а также образование слоя силицида хрома. При этом происходит окисление материала катализатора (Ni), что требует проведения дополнительного этапа восстановления никеля в большом количестве водорода. 2.1.2 Термодинамический анализ процессов на этапе «активации»
Для восстановления катализатора в модуле ПХОГФ используется этап «активации», заключающийся в подаче и выдержке образца в аммиаке большей концентрации (210 см3/мин) (по сравнению с этапом нагрева) по достижении заданной температуры. При этом весь O2 и пары воды полностью прореагировали в начале этапа нагрева и были удалены из камеры при откачке вакуумной системой. В результате в камере ПХОГФ будет протекать лишь реакция разложения NH3. Рассмотрим взаимодействие компонентов структуры образца после нагрева с продуктами разложения аммиака на этапе активации:
Зависимость изменения энергии Гиббса от температуры для реакций взаимодействия Ni и CrxOy с ацетиленом Из полученных зависимостей G(Т) видно, что на этапе роста протекает реакция взаимодействия ацетилена с Ni с высвобождением свободного углерода, который используется при росте УНТ, при этом подслой может трансформироваться к смеси СГ2О3 + Сг3Сг.
Таким образом, проведенный термодинамический анализ химических реакций на различных стадиях процесса ПХОГФ показывает, что перед нагревом, структура Ni/Cr/Si оказывается окисленной на атмосфере, причем окисление подслоя Сг происходит за счет обменной реакции взаимодействия Сг с МО, с образованием окисла хрома. На стадии нагрева аргон служит для вытеснения остаточных газов атмосферы, а аммиак и водород, на который он разлагается, связывает свободный кислород в пары воды. На этапе активации протекают реакции восстановления окисла каталитического материала, в результате никель полностью восстанавливается.
Было показано, что восстановить подслой оксида хрома при рассмотренных параметрах технологического процесса не представляется возможным. При этом под никелевыми каталитическими центрами образуется подслой сложного состава Cr/CrxOy/CrSi2, который представляет собой диффузионный барьер, препятствующий взаимодействию Ni и Si из подложки. Во время роста происходит разложение ацетилена на каталитических центрах Ni, с высвобождением свободного углерода, однако в подслое возможно образование твердого раствора смеси СггОз + СГ3С2.
Исследование технологических режимов формирования каталитических центров и роста углеродных нанотрубок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы
Для исследования влияния технологических режимов выращивания УНТ, проводилась серия экспериментов по определению влияния температуры роста на параметры УНТ. Этап роста представляет собой технологическую операцию, начинающуюся после этапа «активации», при которой в камеру модуля ПХОГФ подается смесь газов NH3 (210 см3/мин) и C2H2 (70 см3/мин). Для вертикальной ориентации УНТ по отношению к подложке в процессе роста инициируется плазма.
Формирование массивов УНТ проводилось при технологических режимах, представленных в таблице 3.4, которые были оптимизированы с учетом результатов теоретических исследований (п. 2.1.3), а также результатов экспериментальных исследований КЦ (пп. 3.2.1, 3.2.2).
Режимы процесса ПХОГФ для выращивания УНТ при различной температуре Изменяемые параметры Постоянные параметры процесса для всех партий образцов Партияобразцов,№ Температура, С ПараметрыпроцессаХОГФ Времяэтапа,мин Поток газов, см3/мин Давлениев камере,Торр Аг NH3 C2H2 1 650 Нагрев 20 40 15 - 4,5 2 700 Активация (с плазмой) 3 - 210 - 3 750 Рост (в плазме) 20 - 210 70 4 800 Охлаждение 90 100 - - На рисунке 3.13 представлены РЭМ-изображения полученных УНТ. В связи с особенностью технологического процесса выращивания УНТ в модуле ПХОГФ, установившаяся температура на этапе нагрева, служит также температурой «активации» и роста УНТ. На представленных РЭМ-изображениях видно интегральное влияние температуры, связанное как с образованием КЦ на этапах нагрева и активации, так и с процессами роста УНТ на полученных КЦ при заданной температуре.
Из представленных результатов видно, что для образцов, полученных при температуре в 650 С, характерны высота массива УНТ 65±5 нм, с диаметром 25±3 нм и наличие разориентированных УНТ. Все УНТ выращены по «вершинному» механизму. Повышение температуры до 700 С приводит к устранению образования разориентированных УНТ. При этом, геометрические размеры УНТ лежат в одном диапазоне (диаметр 25±4 нм, высота 66±5 нм). Данный эффект может быть связан с лучшей десорбцией водорода при разложении ацетилена на КЦ, что приводит к образованию менее «дефектного» слоя углерода на поверхности КЦ, не дающего ветвления и разориентации УНТ. Увеличение температуры до 750 С приводит к увеличению подвижности КЦ, что вызывает объединение более мелких КЦ в крупные, что согласуется с резульатами теоретических исследований, предствленных в п. 2.2, при этом параметры УНТ составили: диаметр 44±3 нм и высота 80±9 нм. Также наблюдался рост отдельных УНТ с диаметром 70±3 нм и высотой 350±10 нм. При 800 С диаметр и высота массивов УНТ составили 51±6 нм и 100±12 нм, соответственно. Также наблюдается рост отдельных УНТ с высотой до 600±14 нм и диаметром 52±2 нм. Наблюдающееся, с повышением температуры, увеличение диаметра УНТ свидетельствует о продолжающемся на этапах нагрева и активации объедении КЦ в более крупные. Практически полное отсутствие УНТ диаметром менее 25 нм указывает на продолжающийся процесс поглощения мелких КЦ более крупными или возможную сублимацию мелких центров при данной температуре. Однако с увеличением температуры ускоряется и процесс десорбции ацетилена с поверхности образца - таким образом, не успевая прореагировать с КЦ, углеродсодержащий газ откачивается насосом вакуумной системы.
Структурный анализ полученных массивов вертикально ориентированных УНТ, выращенных при температурах 700, 750 и 800 С, проводился методом рамановской спектроскопия, результаты которого представлены на рисунке 3.14.
Для полученных спектров положение мод (пиков) на шкале частот Рамановского смещения, их ширина и относительная интенсивность несут информацию как о «дефектности», так и о свойствах исследуемых нанотрубок. Наличие на спектре D-, G-мод показывает, что выращены многослойные УНТ. nm/г -1 Отсутствие моды KBJVL в диапазоне 0-200 см указывает на отсутствие одностенных нанотрубок. Соотношение амплитуды пиков D/G показывает, что «дефектность» трубок составляет 92%, 88% и 90% для температур роста 700, 750 и 800 С, соответственно. Высокая «дефектность» УНТ связана с особенностью структуры образцов и методики снятия спектров, при которой луч лазера падает по нормали к поверхности подложки (т.е. параллельно УНТ). Наличие каталитических центров Ni в вершинах УНТ также может приводить к увеличению амплитуды D-моды и как следствие, вызывать нарушения симметрии графитового слоя с sp2- гибридизацией атомов углерода, что и регистрируется в спектре. Однако, при сравнительном анализе установлено, что УНТ полученные при температуре 750 С, характеризуются наименьшей «дефектностью». Отношение амплитуды основной моды Si к G-моде УНТ качественно показывает, что концентрация УНТ, выращенных при температуре 750 С на 3,1% выше, чем у образца, выращенного при 800 С и на 5,2% выше, чем у образца выращенного при 700 С. Эти данные подтверждаются результатами предварительных теоретических результатов, а именно, что рост УНТ при температуре 750 С позволяет получить УНТ высокой концентрации и наименьшей «дефектности» (пп.2.1, 2.4).
УНТ выращенные при температуре 750 С, были исследованы методом EXAFS-спектроскопии. Рентгеновские спектры поглощения представлены на рисунок 3.15.
Результаты EXAFS-спектроскопии показывают, что Ni на образцах с УНТ практически полностью восстановился, с содержанием металла 90-95%, что подтверждает результаты теоретического исследования о восстановлении никеля из оксида на этапе «активации» (п. 2.1.2) перед проведением этапа роста. Снижение интенсивности спектра в диапазоне энергий поглощения хрома (рисунок 3.15 б) образца с УНТ по сравнению с образцом с КЦ (рисунок 3.9 б), позволяет предположить о наличии фазового превращения Cr2O3 в CrO, либо образование твердого раствора Cr2O3 + Cr3C2. Восстановление окисленного подслоя оксида хрома до металлического Cr на этапе активации и роста не происходит, что также подтверждается результатами термодинамических оценок (п. 2.1.2).
Анализ вольт-амперных характеристик макета с помощью метода спектрального анализа
Созданный макет также был исследован в режиме газового сенсора. Для анализа работы макета в качестве газового сенсора, макет помещался в газоизмерительный стенд, где проверялась реакция сенсора на аммиак и аргон. Выбор газов связан с их потенциальной опасностью присутствия в замкнутых пространствах, при этом обнаружение и идентификация инертных газов является сложной задачей, которая плохо решается с помощью наиболее популярных типов сенсоров - резистивных.
Измерение ВАХ, как и в случае с вакуумметром проводилось с помощью пикоамперметра Keithley 6487, при этом подключение макета осуществлялось по схеме, аналогичной, изображенной на рисунке 4.2.
Снимались ВАХ макета в присутствии аммиака (рисунок 4.8) при нормах ПДК аммиака в воздухе (20 ppm), а также при уменьшенной в 5 раз концентрации (4 ppm). Измерения, как и в предыдущих экспериментах, проводились при разных полярностях подаваемого напряжения, в диапазоне ±20 В.
Полученные результаты показывают, что несимметрия ВАХ также имеет место и при газовых измерениях, как и при измерениях уровня вакуума. Из графиков (рисунок 4.8) видно, что макет газового сенсора реагирует на аммиак, и на изменение его концентрации в атмосфере. Установлено, что чувствительность сенсора на аммиак при U = -20 В составляет 134% и 250% для концентраций 4 и 20 ррт соответственно, при норма ПДК содержания аммиака в воздухе составляет 29 ррт [122]. Оценка чувствительности проводилась по относительному изменению тока: где / - измерение тока в присутствии газа, 1о - измерение тока на воздухе. Также проводились исследования чувствительности сенсора в присутствие инертного газа. Для этого на измерительном стенде исследовалась реакция макета на Аг с концентрациями 4, 20 и 24 ррт. Измеренные ВАХ представлены на рисунке 4.9.
Полученные результаты показывают, наличие реакции макета на Аг. Отклик сенсора при отрицательном потенциале на управляющем электроде, не позволяет судить о концентрации газа, а лишь детектирует его присутствие. Однако при подаче положительного потенциала становится возможным судить о концентрации аргона в камере, несмотря на снижение величины детектируемого тока. Чувствительность макета сенсора к Аг при U=+20 В составила 98, 61 и 18% для концентраций 4, 20 и 24 ррт соответственно. Уменьшение чувствительности сенсора с увеличением концентрации инертного газа может быть объяснено тем, что тяжелые молекулы инертного газа Аг заполняют пространство между УНТ и верхним электродом, препятствуя пролету электроном между электродами.
ВАХ в присутствии аргона различной концентрации при «+» (а) и «-» (б) потенциале на УНТ 141 При сравнительном анализе ВАХ для NH3 и Ar видно, что соответствующему газу и концентрации соответствует своя вольт-амперная характеристика при неизменных условиях среды, однако прямой метод анализа полученных ВАХ не позволяет производить селекцию газов в смеси и требует разработки специальных методов обработки полученных ВАХ.
Из полученных экспериментальных данных для макета газового сенсора, рассмотренного в разделе 4.1, следует, что сенсор может использоваться в качестве газового реле, т.е. устройства, срабатывающего при появлении конкретного газа определенной концентрации в заданном диапазоне давления и температуры. Однако, нелинейная зависимость ВАХ макета, позволяет разработать методику обработки и анализа полученных данных с целью идентификации состава газа и определения его концентрации.
ВАХ, полученные в разделе 4.2 исследовались с помощью спектрального анализа. Физический аналог для исследования спектров, который в дальнейшем моделировался численно, изображен на рисунке 4.10.
Гармонический сигнал, вырабатываемый источником, подается на делитель образованный постоянным резистором Rбаласт и прибором с нелинейной ВАХ. 142 Протекающий, через делитель, переменный ток I вызывает нелинейное изменение напряжения U на приборе, которое подается на анализатор спектра. Этот эксперимент численно моделировался в пакте Mathcad, где анализировалось воздействие гармонического сигнала (рисунок 4.11) на среду с нелинейными характеристиками, полученными в результате измерений (см рисунки. 4.10).
При воздействии гармонического сигала на среду с нелинейной ВАХ происходит его искажение, что, в свою очередь, приводит к появлению в выходном сигнале спектральных составляющих. Таким образом, переменный ток проходя через среду с нелинейными свойствами (газовая среда), будет вызывать изменение формы напряжения на устройстве. Осциллограммы результирующего сигнала для разного типа и концентраций газа представлены на рисунке 4.12.
Для получения спектров выходных сигналов воспользуемся методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Полученные спектры для Ar разной концентрации представлены на рисунке 4.13.
Анализируя полученные спектры, видно, что для каждой из исследованных концентрации Ar соответствует свой набор амплитуд (рисунок 4.14) на соответствующих частотах (в качестве «гармоник» подразумеваются компоненты ряда Фурье, номер которых определяется из отношения соответствующей частоты сигнала к собственной частоте гармонического сигнала воздействия).