Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Элементы и характеристики газочувствительных интегральных датчиков и микросистем 16
1.1. Микроэлектронные средства измерения концентраций газов 17
1.1.1. Структурно- функциональные схемы газоаналитических микросистем и приборов 18
1.1.2. Конструктивно-технологические решения создания измерительных устройств и систем в интегральном исполнении 23
1.1.3. Интегральные датчики и их структура 25
1.2. Чувствительные и актюаторные элементы интегральных датчиков концентраций газов 28
1.2.1 .Чувствительные элементы резисторного и резисторно-ёмкостного типа
1.2.2. Каталитические и электрохимические чувствительные элементы... 35
1.2.3. Массочувствительные чувствительные элементы 37
1.2.4. Чувствительные элементы на основе диодов Шотки 40
1.2.5. Чувствительные элементы на основе МДП-структур 41
1.2.6. Оптические и оптоволоконные чувствительные элементы 44
1.2.7. Нагревательные актюаторные элементы 45
1.3. Характеристики газочувствительных интегральных датчиков 47
1.3.1. Метрологические характеристики датчиков 47
1.3.2. Эксплуатационные характеристики и особенности газочувствительных интегральных датчиков 49
1.3.3. Пути и проблемы создания интегральных датчиков концентрации га зов 51
1.4. Выводы 56
Глава 2. МДП-транзисторные чувствительные элементы интегральных датчиков водорода и их характеристики
2.1. МДП-транзистор как чувствительный элемент датчиков.. 59
2.2. Характеристики газочувствительных МДПТЧЭ
2.2.1. Метрологические характеристики газочувствительных МДПТЧЭ.
2.2.2. Конструктивно-технологические характеристики МДПТЧЭ газочувствительных интегральных датчиков
2.3. Характеристики МДП-транзисторных чувствительных элементов интегральных датчиков водорода серий ИДВ
2.3.1. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-1
2.3.2. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-2
2.3.3. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-3
2.4. Выводы
Глава 3. Методика, средства и результаты экспериментальных исследований характеристик мдп-транзисторных чувствительных элементов
3.1. Общая методика экспериментальных исследований характеристик ИДВ.
3.2. Измерительный комплекс для исследования характеристик ИДВ...
3.3. Результаты экспериментальных исследований характеристик ТЧЭ ...
3.3.1. Отклики ТЧЭ
3.3.2. Физико-математическая модель откликов ТЧЭ
3.3.3. Основные метрологические и эксплуатационные характеристики..
3.3.4. Оценка вклада различных факторов в полную погрешность измерения концентрации водорода датчиком на основе ТЧЭ
3.3.5. Влияние дрейфа начального значения порогового напряжения...
3.3.6. Влияние температуры кристалла
3.3.7. Влияние электрического режима работы ТЧЭ
3.3.8. Влияние водорода на другие элементы базовой ячейки ИДВ-3...
3.3.9. Влияние световых излучений на характеристики ТЧЭ
3.3.1О.Влияние других газов на характеристики ТЧЭ
3.3.11 .Результаты долговременных испытаний ТЧЭ
3.4. Выводы Г
лава 4. Анализ схем включения мдп-транзисторных чувст вительных элементов в измерительные цепи
4.1. Базовые схемные конфигурации
4.2. Расчёт основных характеристик схем включения ТЧЭ
4.3. Обсуждение результатов анализа характеристик схем
4.4. Выводы.
Глава 5. Методики оптимального выбора схем и электри ческих режимов работы мдп-транзисторных чувстви тельных элементов интегральных датчиков
5.1. Выбор рабочих электрических режимов для схемы № 1
5.2. Выбор рабочих электрических режимов для схем №№ (2 +5) и №8...
5.2.1. Повышение чувствительности датчика
5.2.2. Повышение крутизны переходной характеристики датчика
5.2.3. Линеаризация передаточной характеристики датчика
5.2.4. Уменьшение порога чувствительности датчика
5.2.5. Уменьшение погрешности влияющих величин
5.3. Рекомендации по практическому применению ТЧЭ в интегральных
датчиках и приборах
5.4. Выводы
Заключение
Список литературы
- Конструктивно-технологические решения создания измерительных устройств и систем в интегральном исполнении
- Конструктивно-технологические характеристики МДПТЧЭ газочувствительных интегральных датчиков
- Результаты экспериментальных исследований характеристик ТЧЭ
- Расчёт основных характеристик схем включения ТЧЭ
Введение к работе
. Актуальность. В состав современных систем управления входят измерительные каналы, элементами которых являются датчики физических величин. Характерной тенденцией совершенствования систем управления является применение в них электронных блоков на основе интегральных микросхем, в том числе интефальных датчиков (ИД), содержащих несколько электронных элементов. В системах управления климатическим и экологическим состояниями окружающей среды производственных и бытовых зон, в системах обеспечения взрыво- и пожаробезопасное объектов используются датчики концентраций различных газов. Одной из проблем в области разработки газоаналитических средств измерения и контроля является проблема создания малогабаритных приборов и систем для определения концентраций газов в реальном масштабе времени. Для решения этой проблемы перспективным представляется разработка приборов и систем с микроэлектронными датчиками (электронными датчиками на основе микро- и нанотехнологий). Миниатюрность, механическая прочность, прецизионность, надёжность и низкая стоимость являются отличительными особенностями микроэлектронных датчиков (МЭД).
Весьма актуальной является задача создания средств контроля концентраций водорода и водородсодержащих газов в среде, поскольку даже при малых концентрациях водорода может возникнуть взрывоопасная и пожароопасная ситуация на электростанциях и в шахтах, в производственных зонах предприятий по созданию ядерного топлива, аккумуляторных хранилищах и в реактивных двигателях на водородном топливе. Исследования различных типов водородочувствительных элементов МЭД показали, что по своим метрологическим характеристикам перспективными представляются чувствительные элементы (ЧЭ) на основе МДП-структур, особенно элементы на основе МДП-транзистора с палладиевым затвором. Важным качеством такого транзистора является его технологическая совместимость
4 с элементами интегральных микросхем. Кроме газочувствительных ЧЭ, на основе полевых структур электрод-диэлектрик-полупроводник (как многофункционального структурного элемента) созданы чувствительные элементы дозы ионизирующего излучения, концентраций атомов и ионов в растворах, а также ЧЭ биосенсоров, передаточные характеристики которых имеют общие закономерности, но детально мало изучены.
На кафедре микро- и наноэлектроники МИФИ разработаны интегральные датчики концентрации водорода, основными чувствительными элементами в которых являются резисторы, МДП-конденсаторы или МДП-транзисторы с различными затворами. Предварительные исследования этих ЧЭ показали, что наибольшую чувствительность к водороду имеют МДП-транзисторы со структурой Pd-Ta205-Si02-Si (ТЧЭ). ТЧЭ является основным элементом интегральных датчиков серии ИДВ-3. Основы физики работы и конструктивно-технологические особенности ТЧЭ подробно исследовались сотрудниками кафедры в 1995- 2000-х годах.
Эксплуатационные и метрологические характеристики при долговременной эксплуатации датчиков, а также влияние на характеристики ТЧЭ внешних факторов и электрических режимов работы к моменту начала работы над диссертацией были не изучены. Первые опыты практического применения датчиков ИДВ-3 в мобильных приборах выявили ряд недостатков. Это, во-первых, повышенная потребляемая мощность (что сокращает время их работы при одной зарядке источника питания и требует аттестации приборов на взрывобезопасность), во-вторых, при определённых условиях измерений наблюдается большая погрешность, которая изменяется во времени (что требует периодической калибровки приборов). Было сделано предположение, что такая погрешность объясняется временной и температурной нестабильностью параметров датчика и схем вторичного преобразования. Для проверки этого предположения необходимо было исследовать стабильность характеристик датчиков при долговременной их эксплуата-
5 ции. Важно также было провести количественные оценки вклада в погрешность различных влияющих факторов с учетом их динамических составляющих. Не было исследовано влияние водорода, температуры, электрических режимов на характеристики других элементов ИДВ-3, которые могут привести к дополнительным погрешностям. Отсутствие физико-математических моделей ТЧЭ и схем для описания их характеристик, а также недостаточность экспериментальных данных не позволяли оценить предельные возможности ТЧЭ как элемента интегральных датчиков газоаналитических приборов и микросистем. Кроме того, научный и практический интерес представляют исследования селективности ТЧЭ по отношению к другим газам и влияние внешних побочных факторов на характеристики всех элементов ИД. Схемотехнические вопросы проектирования вторичных преобразователей ИД на основе ТЧЭ с учетом их реальных характеристик подробно не изучались. Поэтому исследования метрологических и эксплуатационных характеристик интегральных датчиков водорода с МДП-транзисторными чувствительными элементами и влияния на них схем включения и режимов работы ТЧЭ представляются актуальными. Целью данной диссертации является улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик и оценка предельных возможностей интегральных датчиков водорода с МДПТЧЭ при рациональном выборе измерительных схем и электрических режимов работы элементов датчика на основе моделирования их характеристик.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1). Анализ состояния разработок и характеристик элементов датчиков концентраций водородосодержащих газов, а также возможных конструктивно-технологических и схемотехнических решений для создания газочувствительных ИД и микросистем.
2). Экспериментальное исследование метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ с учетом действия на них влияющих факторов и определение основных составляющих погрешностей измерений. 3). Разработка физико-математических моделей (формул для расчёта характеристик ТЧЭ и датчиков на их основе), определение параметров этих моделей.
4). Исследование влияния измерительных схем и электрических режимов включения ТЧЭ на характеристики интегральных датчиков на их основе. 5). Разработка методик оптимального выбора схем включения и электрических режимов элементов интегральных датчиков на основе ТЧЭ и оценка предельных возможностей улучшения характеристик интегральных датчиков за счёт применения этих методик.
6). Формулировка предложений по разработкам новых типов интегральных датчиков на основе МДП-транзисторных чувствительных элементов и рекомендаций по их применению в газоаналитических приборах и микросистемах.
Научная новизна диссертации заключается в разработке математических моделей для описания характеристик интегральных датчиков на основе ТЧЭ с учётом влияющих факторов и применение их при выборе схем и электрических режимов включения элементов датчика водорода для повышения чувствительности, расширения диапазона преобразования, линеаризации функции преобразования, снижения порога чувствительности и погрешности измерений в заданном диапазоне концентраций газа, а также для оценки предельных параметров ИД . При этом получены следующие научные результаты:
- проанализированы состояние разработок интегральных датчиков концентраций водородосодержащих газов, характеристики их элементов, пути и проблемы создания газочувствительных ИД и микроприборов, показана перспективность применения МДП-транзисторных чувствительных эле-
7 ментов в базовых ячейках интегральных датчиков на основе многокристальных сборок;
- экспериментально исследованы временной дрейф порогового напряже
ния, метрологические и эксплуатационные характеристики МДП-
транзисторных чувствительных элементов при долговременных испытани
ях датчиков;
в результате экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ определены основные причины, количественные значения составляющих погрешностей измерений концентрации водорода (разброс параметров отклика, временной дрейф порогового напряжения ТЧЭ, изменения температуры кристалла, напряжение на затворе, действие внешних побочных факторов, погрешности измерительных преобразователей и устройств обработки данных);
определена зависимость чувствительности и быстродействия ТЧЭ от температуры кристалла и электрических режимов их включения, что можно использовать для оптимизации значений рабочих режимов и температур; установлено, что оптимальный интервал рабочих температур (с точки зрения минимального влияния колебаний температуры кристалла) составляет (12(Н-140)С, а максимальная чувствительность к водороду проявляется при температуре кристалла (175-Н 80)С и при значениях начального напряжения на затворе, лежащих в пределах от 0,3В до 0,5 В.
- экспериментально показано, что водород при концентрациях до 4% не
влияет на характеристики других элементов интегрального датчика ИДВ-3,
что избавляет разработчиков от защиты этих элементов от действия на них
газа;
- на основе аппроксимации экспериментальных зависимостей разработана физико-математическая модель откликов водородочувствительных МДП-транзисторных чувствительных элементов, которую после определения параметров модели можно использовать как математическое обеспечение
имитаторов датчиков при разработке и отладке измерительных приборов и микросистем;
- получены формулы для расчёта основных характеристик возможных ва
риантов схем включения ТЧЭ в измерительные цепи, на основе которых
показано, как порог чувствительности и чувствительность, потребляемая
мощность и диапазон преобразования схем зависят от типа и конфигурации
схемы, количества чувствительных элементов, начальных значений поро
гового напряжения и напряжения на затворе ТЧЭ, напряжения питания и
сопротивлений резисторов;
- дана оценка возможностям оптимального выбора схем и электрических
режимов их работы по заданным критериям и исходным характеристикам
чувствительных элементов на основе МДПТ.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
результаты исследования характеристик ТЧЭ, схем и электрических режимов их работы использованы при разработках мобильных измерительных приборов и детекторов малых концентраций водорода и аммиака (порядка 10 ~4 об. %), которые были испытаны в условиях физического эксперимента для оценки концентрации водорода в вакууме, контроля концентрации водорода при перезарядке аккумуляторных батарей и измерения концентрации аммиака в выдыхаемом воздухе в области медицинских диагностик;
разработанные аппаратно-программные средства для экспериментальных исследований характеристик интегральных датчиков на основе ТЧЭ, позволяющие получать протоколы исследований сразу после окончания эксперимента, могут быть также использованы для испытаний других типов чувствительных элементов датчиков концентрации газов;
полученные в результате экспериментального исследования характеристик ТЧЭ значения параметров физико-математической модели откликов водородочувствительных МДП-транзисторных чувствительных элементов использованы в имитаторах датчиков для отладки измерительных систем;
- разработанные методики выбора схем включения и электрических режимов элементов интегральных датчиков на основе ТЧЭ, а также результаты оценки предельных возможностей улучшения характеристик датчиков могут использоваться при разработках новых типов интегральных датчиков концентраций водородсодержащих газов, а также датчиков других физических величин на основе МДП-транзисторов.
На защиту выносятся следующие положения:
1) результаты экспериментальных исследований параметров отклика ТЧЭ
и составляющих погрешности их определения;
классификация и физико-математическая модель откликов ТЧЭ как основы математического обеспечения расчётов динамических характеристик схем ИД с ТЧЭ, а также имитаторов датчиков, используемых при разработке и отладке измерительных приборов и микросистем;
результаты экспериментального исследования метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ при их долговременной эксплуатации с учетом действия на них влияющих факторов и количественные значения параметров отклика и основных составляющих погрешностей измерений;
результаты исследования влияния на метрологические и эксплуатационные характеристики ИД с ТЧЭ измерительных схем и электрических режимов их работы;
5) оценка возможностей выбора схем включения ТЧЭ и их электрических
параметров для улучшения определённых характеристик интегральных дат
чиков (чувствительности, диапазона преобразования, линейности функции
преобразования, порога чувствительности и погрешности измерений) в за
данном диапазоне концентраций газа;
6) рекомендации по практическому применению интегральных датчиков на
основе ТЧЭ в приборах и микросистемах, предложения по их дальнейшим
разработкам.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на симпозиуме «Symposium on Measurements and Control in Robotics» (1998, г. Прага, Чехия), научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» - «ДАТЧИК-2000» (Крым, Украина) и на ежегодных конференциях «Научная сессия МИФИ» (98,99,2000 и 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 78 наименований и приложений на 27 страницах. Работа изложена на 187 страницах, содержит 98 рисунков и 9 таблиц.
Конструктивно-технологические решения создания измерительных устройств и систем в интегральном исполнении
Современные технологии позволяют создавать информационно-измерительные системы (ИИС) и измерительно-управляющие системы (ИУС) на основе принципов агрегатирования (интеграции устройств) с применением микроэлектронной элементной базы (так называемые, микроэлектронные приборы или системы). Микроэлектронный датчик является составной частью электронных измерительно-информационных средств (приборов и систем). Выбор того или иного датчика зависит от типа выбранной структурно-функциональной схемы всего прибора и системы. Рассмотрим различные варианты структур ИИС. 1.1.1. Структурно-функциональные схемы газоаналитических микросистем и приборов.
Обобщённая структурно-функциональная схема современных ИИС и ИУС представлена на рис. 1.1. В данной схеме ИИС является частью ИУС, включающей датчики, устройства сбора, передачи и обработки данных, устройства обработки и отображения данных и устройства управления. Микроэлектронные устройства цифровой обработки данных серийно выпускаются в виде микропроцессоров, микропроцессорных комплектов ИМС, однокристальных микрокомпьютеров различных серий [10,11]. Если разработчик принял решение использовать в ИИС микропроцессорные средства обработки измерительной информации, то требования к выходным характеристикам устройств сбора данных (УСД) и датчиков определяются характеристиками схем устройств ввода-вывода (интерфейсных ИМС) выбранной микропроцессорной системы (МПС).
Обобщенная структура современных ИИС и ИУС: 1 - объект измерения и(или) управления; 2 - основные датчики; 3 - дополнительные датчики: 4 - устройства нормализации и вторичного преобразования сигналов датчиков (устройства сбора данных): 5 - каналы передачи измерительных данных; 6 - устройства обработки данных; 7 - устройства отображения информации; 8 - пользователь; 9 - устройства управления; 10 - каналы, передачи управляющих данных; 11 - исполнительные устройства; 12 - внешние побочные факторы.
Подавляющее большинство устройств (в том числе и датчики), входящих в состав современных ИИС, может быть выполнено в виде интегральных микросхем. В принципе микроэлектронные датчики могут использо ваться в любых приборах и системах, не обязательно микроэлектронных. Однако при создании современных измерительных средств следует учитывать, что микроэлектронное исполнение прибора или системы в целом позволяет улучшить массо-габаритные характеристики, снизить потребляемую мощность, повысить надёжность и функциональную сложность, а применение в них микроэлектронных датчиков повышает конструктивно-технологическую однородность этих средств. Для создания микроэлектронных измерительных средств с улучшенными характеристиками разработчики интегральных датчиков, приборов и систем в равной степени должны владеть информацией о типовых структурно-функциональных схемах (архитектурах) приборов и систем, а также о типовых измерительных схемах включения первичных преобразователей.
Как правило, основными критериями выбора типа МПС являются степени функциональной сложности ИИС, её разрядность, быстродействие, доступность, простота программирования и отладки, которые зависят от степени функциональной сложности ИИС. Несмотря на сложность и многообразие микропроцессорных средств, их можно отнести к изделиям высокой степени унификации и стандартизации. Однако другие составные части ИИС (датчики и УСД) как конструктивно-законченные изделия пока не отличаются таким качеством. Тем не менее, можно выделить ряд типовых структурно-функциональных схем построения измерительных каналов на основе типовых микроэлектронных компонентов. Для устройств нормализации и вторичного преобразования сигналов датчиков (УСД) в качестве "строительного материала" используются следующие ИМС: усилители, аналоговые коммутаторы, преобразователи напряжение-частота (ПНЧ), схемы выборки-хранения (СВХ), буферные схемы, преобразователи (частота-напряжение (ПНЧ), преобразователи сопротивления, компараторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), счётчики, сумматоры. Часть или целиком функции УСД могут быть реализованы в интегральных датчиках. Поэтому разработчики ИД должны владеть информацией о различных схемотехнических вариантах построения ИК на основе известных элементов и компонентов микроэлектронных устройств. Основные типовые структурно-функциональные схемы измерительных каналов представлены на рис. 1.2. - 1.6.
Выбор той или иной схемы зависит от следующих характеристик разрабатываемого прибора или системы: число каналов, тип выбранных первичных преобразователей, степень однородности выходных сигналов первичных преобразователей, быстродействие, тип выбранных устройств, обработки и отображения данных.
Конструктивно-технологические характеристики МДПТЧЭ газочувствительных интегральных датчиков
После обработки в вакууме проводимость пленок становится п-типа, но под действием кислорода воздуха она увеличивается и вновь переходит в проводимость р-типа. Исследования показали, что проводимость пленок фта-лоцианинов меняется в присутствии тех газов, сродство к электрону которых больше, чем у кислорода. К ним относятся галогены и галогенсодержащие газы, а также ЫСь. Для снижения полного сопротивления чувствительной пленки токопроводящие электроды обычно имеют гребенчатую структуру. Наибольшая чувствительность ЧЭ - к NO2, причем она увеличивается при легировании пленок тяжелыми металлами.
В настоящее время ведутся интенсивные поиски новых органических материалов для таких чувствительных элементов. В частности, перспективным для определения концентрации NH3 считают полипиррол. Высокой чувствительностью при комнатной температуре смеси N02/N204 и СЬ обладают пленки тетразанулинов, однако их характеристики в сильной степени зависят от материала подложки и качества ее обработки, от режима сублимации и толщины пленки, в силу чего воспроизводимость результатов недостаточно высока. Для определения концентрации газообразного йода предложено использовать пленки полипарафенилиназометина. Каталитические ЧЭ работают по принципу регистрации количества тепла, выделяющегося при протекании каталитических реакций на поверхности катализатора. В качестве термочувствительного параметра обычно используют изменение сопротивления пленки самого катализатора либо тонкой платиновой проволоки, расположенной в непосредственной близости к его поверхности, поэтому каталитические ЧЭ часто относят к чувствительного элементам резисторного типа. Основная трудность, с которой сталкиваются разработчики при создании чувствительных элементов данного типа, заключается в точном измерении малых изменений температуры в рабочей области. Решить эту задачу можно с помощью методов микроэлектронной технологии.
В одной из конструкций в качестве чувствительного элемента температуры применяют биполярный транзистор, напряжение эмиггер-база которого имеет температурный коэффициент -2 мВ/град (рис. 1.14).
Интегральный кремниевый ЧЭ водорода. 1 - меза-структура с биполярным тран зистором; 2 - пиролитическая SiCh, 3 контакты А1; 4 -- биметаллическая маска (Аи / Сг): 5 - слой АЬ Оз (0.1 мкм); 6 - палладиевый катализатор (0,02 мкм). Исходным материалом при создании прибора служит пластина кремния п -типа с эпитаксиальным слоем n-типа толщиной 10 мкм, в котором изготавливают вертикальный биполярный транзистор. После этого формируют меза-структуру диаметром 500 мкм. Слой двуокиси кремния (0,5 мкм) наносят методом химического осаждения из газовой фазы при температуре 723 К. Следующей операцией является анизотропное травление кремниевой под ложки на всю ее толщину через маску из золота (0,2 мкм) с подслоем хрома (0,2 мкм). В заключение осуществляется напыление тонкого (0,1 мкм) слоя АЬОз и катализатора (Pd толщиной 10-20 нм). В рассматриваемой конструкции теплоизоляция меза-структуры с сенсором температуры в ней обеспечивается за счет тонкой мембраны из Si02. Высокое тепловое сопротивле-ние между активной областью и кристаллодержателем (порядка 10 - 10" К/Вт) позволяет достичь тепловой постоянной времени 1 -100 мс. Такой сенсор характеризуется высокой чувствительностью к водороду, а тепловая постоянная времени увеличивается с ростом температуры.
В основе работы этих ЧЭ лежат закономерности протекания электрического тока через электрохимическую цепь, основными элементами которой являются металлические или полупроводниковые ионоселективные электроды, проводники второго рода (растворы электролитов, их расплавы или твердые электролиты) и границы раздела фаз между металлом (полупроводником) и электролитом, двумя различными проводниками первого рода, двумя различными электролитами. Разновидностью электрохимической цепи является такая, в которой два проводника второго рода разделены мембраной, селективно проницаемой по отношению к определенному иону. Ток через такую цепь (или разность потенциалов между электродами) определяется, в основном, характеристиками используемых мембран. В настоящее время ионоселективные электроды с газопроницаемой мембраной используют для измерения концентрации С02, NH3 и некоторых других газов.
Ферментные электроды также являются модификацией традиционных ионоселективных ЧЭ. Их работа основана на ферментативных реакциях, происходящих в слое иммобилизованного фермента, отделяющего исследуемую среду от ионоселективного электрода, при помощи которого регистрируются образующиеся продукты ферментативной реакции. В амперометрических электродах измеряется ток электрохимической цепи, величина его зависит от концентрации газа в исследуемой среде, проникающего через мембрану. Амперометрический метод лежит в основе работы ЧЭ на твердых электролитах, которые применяют, как правило, для определения содержания кислорода, а также окислов серы. Электролитом обычно служит двуокись циркония с различными добавками. В последние годы эти хорошо известные ЧЭ кислорода стали изготавливать с использованием микротехнологии. На рис. 1.15 представлена типичная структура такого чувствительного элемента, выполненного по совмещенной тонко- и толстопленочной технологии. Подложкой служит сапфировая пластина, которая имеет очень высокое электрическое сопротивление ( 10s Ом-см) даже при температуре порядка 1170 К. Электрод сравнения, который обеспечивает постоянное значение активности кислорода, изготовлен из смеси Ni/NiO или Pd/PdO и покрыт сверху защитным слоем, предотвращающим проникновение к нему исследуемой газовой смеси. Контакт последней с рабочим электродом из пористой толстой пленки платины осуществляется через специальное отверстие в защитном покрытии. Поступающий газ диффундирует через пористый рабочий электрод к границе раздела рабочий электрод-твердый электролит, где происходит реакция диссоциации кислорода. Твердый электролит представляет собой стабилизированный иттрием или кальцием тонкий слой Zr02. Рабочий электрод, изготовленный из кермета на основе платины (Pt/Al203, Pt/MgAl204 и т.п.), имеет высокие долговременную стабильность и воспроизводимость характеристик. На обратной стороне сапфировой подложки формируют резисторный нагреватель на основе тонкой платиновой пленки.
Результаты экспериментальных исследований характеристик ТЧЭ
Чувствительность и селективность ЧЭ с каталитическими металлическими затворами (т.е. с затворами из металлов, являющихся катализаторами процессов, проходящих на их поверхности) зависит от таких параметров, как состав и толщина металлического затвора, его микроструктура и рабочая температура ЧЭ. Обычно чип ЧЭ содержит ЧЭ, нагреватель (в виде резистора) и датчик температуры (диод). Повышенная рабочая температура ЧЭ способствует повышению селективности к газам. Например, приборы с палла-диевыми и платиновыми затворами чувствительны к спиртам и ненасыщенным углеводородам, если температура ЧЭ достаточно высокая (более 250С).
Рассмотрим подробнее структуры газочувствительных МДПТЧЭ с каталитическими металлическими затворами, представленные на рис.2.4. У ЧЭ водорода с относительно «толстым» (« 80 - ЮОнм) непористым каталитическим (палладиевым, платиновым) затвором, который действует как фильтр по отношению к атомам водорода, и «толстым» подзатворным диэлектриком ( 100 им) (рис. 2.4, а) механизм чувствительности связан с модуляцией проводимости приповерхностного слоя полупроводника. Атомы водорода диффундируют через непористую палладиевую пленку. Палладиевый затвор действует как фильтр для атомов водорода, которые возникают из молекул водорода, диссоциирующих на поверхности палладия. Протоны, адсорби рующиеся на границе палладий-диэлектрик, вызывают сдвиг вольт-амперной характеристики и, следовательно, сдвиг порогового напряжения. Предполагают, что это главный механизм чувствительности: МДПСЭ с палладиевым затвором к водороду. Иногда под действием водорода (Н+), введенного в диэлектрик (оксид), также наблюдаются сдвиги порогового напряжения. Поэтому ранее полагалось, что сдвиги напряжения обусловлены наличием Н+ в диэлектрике. На рис.2.4., а показано, что в присутствии кислорода на поверхности палладия образуются молекулы воды, которые влияют на число атомов водорода на границе палладий/диэлектрик. ЧЭ работает на воздухе (в кисло-родосодержащей среде) при достаточно высокой температуре, чтобы предотвратить конденсацию воды на палладиевой поверхности. При комнатной температуре адсорбированные на поверхности палладия молекулы воды замедляют обратную реакцию (с кислородом) и увеличивают постоянную времени зарядки и разрядки ЧЭ, возникает возможность фазовых переходов на пленке палладия. ЧЭ с палладиевым затвором чувствителен к молекулам, которые могут дать атомы водорода в палладиевый слой (сульфид водорода, этанол и другие спирты, ненасыщенные углеводороды, пары бензина и, возможно, другие органические молекулы), рабочая температура ЧЭ для которых должна быть достаточно высокой, чтобы удалить молекулы водорода с поверхности палладия. Механизм чувствительности ЧЭ с тонким каталитическим металлическим затвором (»10нм) (Pt, Pd, Ir) (рис, 2.4, б) с высокой чувствительностью к аммиаку ранее считался аналогичным чувствительности к водороду. Но последующие исследования показали, что существует качественное различие в этих механизмах. Предполагается, что изменяется работа выхода из металлических островков, ёмкостно связанных с поверхностью полупроводника. Толщина тонкого каталитического слоя (Pt) играет важную роль в чувствительности ЧЭ. Обнаружено, что платиновые пленки толщиной около 10...30 нм обладают высокой чувствительностью к аммиаку, в то время как платиновые пленки толщиной более 90 нм фактически нечув ствительны к аммиаку. Зависимость чувствительности от толщины пленки каталитического металла показывает, что микроструктура металла играет важную роль. Таким образом, необходимо, чтобы металлическая пленка имела достаточную толщину для низкого сопротивления поверхности, но и достаточную тонкость для пористости. Предполагают, что чувствительность к аммиаку обусловлена адсорбцией и/или реакцией аммиака с кислородом на каталитической поверхности затвора (рис 2.5), вызывающей изменение работы выхода из металла. Причем полагают, что изменение работы выхода происходит в пористой проводящей пленке любой толщины, что приводит к изменению проводимости приповерхностной области полупроводника. ЧЭ аммиака с тонкими палладиевыми затворами, работающие при 100... 150 С, показывают высокую чувствительность к аммиаку с изменением напряжения вплоть до 1000 мВ и имеют приемлемую постоянную времени.
Экспериментально обнаружено, что при низких температурах (около комнатной) тонкие иридиевые затворы работают хорошо. Эти наблюдения дали толчок к разработке биосенсоров, основанных на биохимических реакциях, связанных с ЧЭми аммиака, расположенными за газопроницаемой мембраной, так как в этих целях не всегда ЧЭ может работать при 100... 150С.
Проведены исследования МДП-структур с различными двухслойными металлическими затворами: Pt/Pd, Pd/Pt, Nb/Pd, Pd/Nb, V/Pd, Pd/V, Ti/Pd, Pd/Ti, Au/Pd, Pd/Au. Приборы с затворами из Nb/Pd, Pd/Nb, V/Pd, Pd/V, Ti/Pd, Pd/Ti, Pd/Au не обладали чувствительностью к водороду. В МДП-структурах с Pd/Pt - затвором она такая же, как у приборов с палладиевым затвором, однако стойкость двухслойного затвора к образованию вздутий существенно выше, чем однослойного.
Селективность ЧЭ на основе МДП-структур можно повысить, нанеся на поверхность металла дополнительный слой цеолита, диаметр пор в котором зависит от состава и метода нанесения. Установлено, что МДП-конденсаторы со структурой Pd-SbKrSiCb-Si без дополнительного слоя цеолита имеют наибольшую чувствительность и к водороду, и к метану. Введение слоя цеолита различным образом меняет чувствительность прибора к разным газам. Поэтому, используя матрицу из нескольких ЧЭ с различными слоями цеолита, можно, анализируя совместно их выходные сигналы, сделать заключение о составе исследуемой газовой среды. Дальнейшим развитием этой идеи стала разработка матриц из четырех МДП-транзисторов с разными слоями цеолита, изготовленных на одном кристалле. Для регистрации СО были разработаны МДП-транзисторы с сеточным (перфорированным) затвором (рис. 2.6). Поры в палладиевой пленке диаметром 1,5-3,0 мкм были изготовлены при помощи взрывной фотолитографии. Слой окисла палладия формировали либо распылением палладия в атмосфере Ar-Сь, либо термическим окислением при температуре 473-673 К, причем во втором случае окисление его происходит не только по внешней поверхности, но и по внутренней. Для уменьшения водородной чувствительности приборов на слой палладия наносили тонкий слой алюминия. По сравнению с серийным сенсором СО на основе Si02-резистора разработанные приборы имели в 6 раз большую относительную чувствительность СО/этанол, в 7 раз - СО/бутан и в 12 раз - СО/мстан. Кроме того, они оказались значительно менее чувствительными к изменениям влажности среды, особенно при малой относительной влажности. Однако МДП-транзисторы с перфорированным затвором имеют довольно низкую скорость отклика (ti = 1-2 мин). Лучшие характеристики по быстродействию получены на МДП-транзисторах с расщепленным затвором (рис. 2.7).
Расчёт основных характеристик схем включения ТЧЭ
Перед проведением таких измерений необходимо выполнить следующие операции: 1) Провести технологический отжиг датчика после длительного его хранения (более 30...40 дней) при температуре 300...350С в течение 15 мин на воздухе. 2) Вставить датчик в измерительную схему №1. 3) Проверить наличие сигнала, поступающего на нагреватель, и установить рабочую темпе ратуру кристалла (130С) на датчике температуры в соответствии с калибровочным графиком, полученным в ходе предварительных испытаний. 4) Установить величину начального выходного напряжения МДП-транзисторного чувствительного элемента Uffl),x в диапазоне -0,6...0,6 В. 5) Если датчик подвергался отжигу в соответствии с п.1 после длительного хранения, необходимо провести тренировку водородом аналогичную первому тренировочному циклу, в ходе которой датчик помещается в испытательную камеру и подвергается импульсному воздействию водорода концентрации 10000 ррт (1 об.%) в воздухе при рабочей температуре 130С до установления выходного сигнала с датчика. 6) Провести оценку работоспособности (чувствительности) датчиков, которая заключается в помещении датчиков в испытательную камеру и дальнейшей проверке их реакции на импульс водорода концентрации 1000 ррт в воздухе при рабочей температуре 130С.
Для каждого импульса N определялись основные параметры откликов (см. рис.2.3): 1 )Лим I UBMXM - ЦвыхО I - амплитуда; 2) SU = [ Um.ixi - ПвыхО -остаточное напряжение отклика; 3) ti = T(N) - время нарастания фронта отклика и 4) h = T3(N) - временем спада отклика. На основании полученных данных определялись передаточные характеристики ТЧЭ AUOM = AUM = f (N) и динамические (временные) параметры откликов i(N) и x3(N), а также рассчитывалась интегральная чувствительность S0 = AUoM /AN. Усредненные метрологические характеристики считались номинальными для конкретного ТЧЭ, а усредненные характеристики серии датчиков (чипы с одной пластины) определялись как номинальные для данной серии. Датчики, имеющие при концентрациях Н2 1% амплитуды отклика в пределах погрешности измерений или X] 5мин считались негодными и отбраковывались.
В каждой серии среди годных ИДВ-3 выделялись 3 условных группы датчиков: А - «очень хорошие», В - «хорошие», С - «плохие». Сортировка проводилась на основании результатов испытаний датчиков при многократном воздействии импульсов водорода одинаковых концентраций. Для сортировки были выбраны следующие параметры:!) среднее время фронта нарастания Ticp= —-J]r,; 2) относительный разброс амплитуд отклика где А (Уд./,- - значение амплитуды /-го отклика, п - количество измеренных откликов при одинаковых концентрациях водорода, среднее значение амплитуды откликов
Количественные критерии сортировки датчиков, отклики которых измерялись в воздушной среде при многократном воздействии импульсов одинаковых концентраций водорода в области их средних значений (0,1 об.% ), указаны в табл. 3.1. Возможны сортировки по отдельным параметрам и по их совокупности.
Остаточное напряжение -ва: = 8Ucp/AUMcp 0,05 0,05 вя, 0,2 0,20 Общая методика используется для предварительных исследований ИДВ. Для исследования влияния на характеристики ТЧЭ побочных факторов, электрических режимов, временного дрейфа начального значения порогового напряжения, для оценки погрешностей, долговременных испытаний и исследований с целью определения параметров физико-математических моделей откликов и передаточных характеристик ТЧЭ могут вводиться дополнительные процедуры (специальные методики). Специальные методики исследований характеристик ТЧЭ рассмотрены в соответствующих разделах диссертации.
Предварительные испытания ИДВ проводились согласно общей методике исследований на специально разработанном измерительном стенде, структура одного из вариантов которого представлена на рис. 3.4. Измерительный стенд позволяет наблюдать отклик в автоматическом режиме в реальном времени с выводом на монитор (при этом масштабы по оси времени и напряжения задаются программно) и возможностью хранения данных [61]. Измерительный стенд (рис. 4.2) содержит следующие устройства и приборы: плату измерительной схемы; источник питания измерительной платы; герметичную испытательную камеру; компьютер с монитором; источник (генератор) водорода; блок питания генератора водорода; контрольный вольтметр; интегральный датчик водорода и тумблер для включения подогрева кристалла. Измерительная схема №1 (рис. 3.5) обеспечивает измерение напряжения на затворе водородочувствительного МДП-транзистора датчика в режиме постоянного тока стока и напряжения между стоком и истоком. В этом случае изменение порогового напряжения водородочувствительного МДПТ AUo равно изменению измеряемого напряжения на затворе Ди Поэтому передаточная характеристика всей измерительной схемы совпадает с передаточной характеристикой ТЧЭ, т.к. выполняется условие AU„b,x = ДЦз - AUo = f(AN). —ПП—CZH Рис. 3.5. Общая принципиальная схема измерительной платы: А - схема термостабилизации кристалла и В - схема измерения сдвига порогового напряжения МДПТЧЭ: 3, И, С и П - затвор, исток, сток и подложка ТЧЭ соответственно: НЭ - нагревательный элемент (диффузионный резистор); ТЭ - термочувствительный элемент; V - контрольный вольтметр. Прямоугольниками обведены расположенные на чипе элементы. Цифрами обозначены номера выводов ИДВ-3 в соответствии с монтажом чипа в корпусе датчика (рис 3.6).
Рис.3.6. Расположение выводов корпуса датчика водорода серии ИДВ-3: Rp i и RMI - выводы тонкопленочного палладиевого резисторного сенсорного элемента; 3, И, С - затвор, исток и сток МДПТЧЭ; П - подложка; R„i и R„2 - выводы диффузионного резистора (нагревателя); вывод (отрицательный) преобразователя температуры (ТЭ): 4... 13 -- номера ножек корпуса датчика. Схема термостабилизации (А), которая содержит компаратор, источник опорного напряжения и ключ, а также расположенные на кристалле датчика нагревательный элемент (НЭ) и преобразователь температуры (ТЭ), обеспечивает импульсную стабилизацию температуры кристалла. Операционный усилитель 574УД2 используется в компараторном включении, на положительный вход которого подается заданное напряжение, а отрицательный соединен с термопреобразователем (датчиком температуры кристалла). Если сигналы на входе различны, то на выход поступает напряжение, отпирающее транзистор КТ815, и начинается нагрев кристалла. По мере нагрева подложки величина напряжения на выходе датчика температуры приближается к величине напряжения на выходе операционного усилителя. Тогда сигнал на его выходе становится равным нулю и транзисторный ключ запирается, прерывая цепь нагрева подложки. При последующем охлаждении кристалла сигнал на выходе датчика изменяется и процесс повторяется заново. Транзистор КП103Е используется в качестве опорного источника тока для датчика температуры. При отключенной системе термостабилизации можно проводить эксперимент и при комнатной температуре.
Схема измерения сдвига порогового напряжения (В) осуществляет измерение напряжения на затворе М ДП-транзистора при заданном токе стока (например, 1с = 100 мкА) и устанавливаемом напряжении между стоком и истоком. Схема обеспечивает измерение напряжения на затворе ТЧЭ, изменение которого равно изменению порогового напряжения ТЧЭ. В данной схеме используются два операционных усилителя в одном корпусе КР140УД20А. Сигнал с выхода второго операционного усилителя подается на компьютерный интерфейс и цифровой вольтметр. Расположение выводов с контактных площадок кристалла на контактные площадки корпуса интегрального датчика водорода серии ИДВ-3 приведено на рис, 3.6, где номера с 4 по 13 соответствуют номерам ножек корпуса датчика.
В течение последних лет структурно-функциональная схема и элементная база измерительного стенда модернизировались. В настоящее время вводится в эксплуатацию разработанный на кафедре автоматизированный измерительный комплекс «АПИК», на котором проводилась часть исследований по данной диссертации. Измерительно-информационный комплекс «АПИК» представляет собой программно-аппаратные средства многоканальных измерений откликов различных (резисторных и МДП- транзисторных) газочувствительных ЧЭ и датчиков, отображения откликов на мониторе компьютера, хранения их в памяти, генерации распечаток с указанием сервисной информации (номер датчика, дата и время испытаний, тип и концентрация газа, отклик и его параметры с указанием погрешностей). В состав комплекса входят программируемый имитатор откликов различных датчиков концентраций газов с учётом реальных характеристик и физических моделей (программы для цифровой имитации откликов) и программируемый имитатор откликов различных датчиков с аналоговым выходом для отладки интерфейсных блоков и программ обработки параметров откликов. Структурная схема «АПИК» для испытаний ТЧЭ представлена на рис. 3.7. 2
