Введение к работе
Актуальное!ь темы. При современном развитии технологии и промышленности, связанных со сложными экологически опасными процессами, является острой проблема создания и применения средств, позволяющих получать и анализировать информацию в реальном времени о состоянии газовых сред вокруг вредных и опасных производств.
Оснащение предприятий, имеющих специальные требования по обеспечению природоохранной деятельности, устройствами автоматического экологического контроля объекта и окружающей среды охранной зоны является важной частью системы экологической безопасности и необходимым условием производственной деятельности. Особенно важен комплексный многоканальный контроль и своевременное принятие корректирующих воздействий на объектах с повышенной вероятностью экологических катастроф.
Система мониторинга экологической безопасности позволит обеспечить сбор, первичную обработку и визуализацию информации о состоянии экологических параметров объектов; осуществлять контроль в реальном времени и анализ тенденций изменения содержания экологически вредных веществ в атмосфере вокруг предприятия.
Применение таких информационно-измерительных систем (ИИС) позволит устранять причины различных аварий, связанных с утечкой ядовитых и взрывоопасных жидкостей и газов.
ИИС можно условно разделить на несколько основных составных частей: чувствительные элементы (т.е. датчики газов), устройства передачи и приема измерительной информации, среда передачи сигналов на расстояние, устройства анализа и отображения результатов контроля.
Сенсорные элеменш датчиков газов таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. Среди многообразия газовых сенсоров указанным требованиям наиболее удовлетворяют полупроводниковые сенсоры на основе SnO:, ZnO, V205, In203 и др Наибольшее применение находит Sn02, который характеризуется высокой механической и химической стойкостью и более низкими рабочими температурами (300-400С) по сравнению с другими окислами металлов. Леїирование Sn02 различными примесями позволяет существенно снизить эти температуры, а, следовательно, уменьшить энергозатраты на обеспечение режима работы датчиков.
ИОС НАЦИОНАЛЬНАЯ|
БИБЛИОТЕКА 1
Наиболее перспективными являются сенсоры, изготовленные по микроэлектронной технологии При этом за счег применения станцартных. хорошо отработанных, высокотехнологичных процессов может достигаться массовость, стабильность и воспроизводимость параметров газовых датчиков, низкая себестоимость изделий.
Устройства передачи и приема информации должны обеспечивать преобразование информации датчика к виду, удобному для помехоустойчивой передачи на расстояние. Для этого используются различные способы модуляции и кодирования сигналов.
В качестве среды передачи могут использоваться металлические и волоконно-оптические кабельные линии, существующие на производствах учрежденческие телефонные сети, сит налы радиосвязи. В любом случае среда передачи информации должна обеспечивать минимум помех передаваемым сигналам и их минимальное затухание.
Устройства анализа и отображения результатов контроля должны обеспечивать адекватный анализ принимаемой информации и визуализацию результатов контроля. Для визуализации могут использоваться стрелочные приборы, индикаторные лампы, светодиодные линейки и др. Комплексное решение задачи позволяет осуществить персональная электронно-вычислительная машина
В России и за рубежом (по литературным данным) отсутствуют дешевые, простые и надежные ИИС кабельной связи для мониторинга воздушной среды, поэтому изучение работы твердотельных датчиков газов в составе систем дистанционного контроля воздушной среды является актуальным.
Работа выполнялась по теме ГБ 2001-34 "Изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах" и ГБ 2004-34 "Исследование полупроводниковых материалов, приборов и технологии их изготовления".
Цель работы Изучение особенностей функционирования твердотельного датчика газов в составе системы дистанционного контроля токсичных и взрывоопасных гаюв в воздухе с использованием кабеїьньїх линий связи и телефонных каналов Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решить следующие задачи-
разработать методику термостабилизации электрических параметров твердотельных датчиков газов изготовленных по микроэлектронной технологии после их хранения на воздухе;
исследовать чувствительность датчиков к токсичным и взрывоопасным газам в широком интервале температур и концентраций газов;
разработать систему преобразования малых сигналов датчиков для помехоустойчивой передачи и приема по кабельным линиям связи и телефонным каналам;
изготовить и испытать действующий макет системы дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием твердотельного датчика газов.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны полупроводниковые датчики газов, изготовленные по тонкопленочной технологии, а также создаваемая ИИС, предназначенная для дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием этих датчиков.
Научная новизна. В работе были получены следующие научные результаты:
определены время и температура стабилизационного изотермического отжига тонкопленочных датчиков, изготовленных по микроэлектронной технологии на основе Sn02, легированного кремнием (2,5% ат.);
установлено, что легирование пленок Sn02 примесью кремния (2,5% ат ) снижает энергетический порог взаимодействия ионов газов с поверхностью сенсорного элемента и снижает рабочие температуры датчика газов, а также в несколько раз увеличивает его чувствительность к токсичным и взрывоопасным газам;
разработаны принципы и реализованы устройства преобразования сигналов датчика в частоту для дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием кабельной линии;
разработаны принципы и реализованы устройства преобразования сигналов датчика в частоту для дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием телефонных каналов.
Практическая значимость работы.
-
Методика и режимы термостабилизации параметров тонкопленочных датчиков газов найдут применение при организации производства датчиков по микроэлектронной технологии и при их эксплуатации.
-
Экспериментальные данные о іемпературной зависимости газовой чувствительности пленок SnOj, легированных кремнием, могут быть использованы при оптимизации технологии изготовления сенсорных слоев на основе Sn02.
-
Система преобразования малых сигналов датчика может быть использована не только для дистанционной передачи сигнала датчика газов, но и для любых других датчиков (температура, давление и др.)
-
ИИГ дистанционного мониторинга по кабельным линиям может быть использована не только для мониторинга воздушной среды, но и для охранной сигнализации по периметру завода, склада и других объектов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1 Режимы и условия термостабилизации электрических параметров тонкопленочных датчиков газов после длительного хранения
2. Газочувствительные свойства пленок SnC>2, легированных кремнием (2,5% ат.), улучшенные по сравнению с газовой чувствительностью нелегированных пленок Sn02.
3 Способ преобразования информационных параметров датчика для передачи по кабельной линии и телефонным каналам.
4. Структура и свойства ИИС дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием кабелей или телефонной линии.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием поверенных приборов и аппаратуры, многократной воспроизводимостью результатов экспериментов, использованием апробированных методик и соответствием некоторых экспериментальных результатов данным других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2003-2005); XXIII и XXIV Международных научно-технических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2003, 2004); XVI научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Крым, 2004).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в шести работах. Личный вклад автора включает: в [1] рассмотрение проблем передачи измерительной информации от даічиков газов на большие расстояния по кабелям; в [2] предложение принципов построения системы передачи измерительной информации от датчиков по телефонным каналам, а также способов устранения нелинейности зависимостей выходных сні налов системы от входн-л\
постановку эксперимента: в [3] предложение использования преобразователей напряжение-частота и частота-напряжение на микросхеме К1108ГТП1 для передачи сигнала датчика на рассюяние, постановку эксперимента, в [4] исследование газовой чувствительности даічиков и методики стабилизации параметров для эффективного определения концентрации опасных газов и передачи измерительной информации на расстояние; в [5, 6] предложение принципов построения системы передачи измерительной информации от датчиков по кабелям, постановку эксперимент;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 117 страницах, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.
