В данной работе была поставлена ... прибора для измерения вольт-фарадных (C-V) характеристик МДП-сенсоров.

В данной работе была поставлена задача разработать конструкцию и электронную схему
прибора для измерения вольт-фарадных (C-V) характеристик МДП-сенсоров.
В настоящее время уделяется много внимания экологическому мониторингу окружающей
среды, а конкретно – химическому составу атмосферы. Среди существующих сенсоров химического
состава газов выделяются аномально высокой чувствительностью МДП-сенсоры (разработанные на
каф. № 70 НИЯУ МИФИ), представляющие собой, по сути, МДП-конденсаторы. Основной их
характеристикой является зависимость ёмкости от напряжения (вольт-фарадная характеристика).
В данный момент для измерения C-V характеристик МДП-сенсоров используется сложная и
устаревшая многоблочная установка. Поэтому в настоящей работе была поставлена задача –
разработать конструкцию и электронную схему компактного, простого и недорогого прибора для
измерения C-V-характеристик с возможностью дальнейшего применения созданной схемы для
изготовления нового газоанализатора на основе МДП-сенсора.
МДП-сенсоры, как сказано выше, превосходят другие типы сенсоров высокой
чувствительностью. Это связано с тем, что в основе сенсора лежит полупроводник — материал,
свойства которого чрезвычайно чувствительны к изменениям параметров окружающей среды и, в
частности, к химическому составу газов. Кроме того, МДП-сенсоры обладают небольшими
размерами и малой стоимостью за счет возможности их серийного изготовления стандартными
средствами микроэлектронной промышленности.
Для выполнения поставленной задачи были использованы: среда разработки и отладки
программ для микроконтроллеров AVR, Evaluation kit для написания и отладки кода микросхемыпреобразователя «ёмкость-код» ACAM PCap-01, PCad для проектирования печатной платы и
электрической схемы, а так же Terminal и LabWindows для визуализации
полученных с сенсора данных на компьютере.
Основой МДП-сенсора является МДП-структура. Используемая
в
рассматриваемом сенсоре структура является МДП-конденсатором. Её
измерения основаны на изменении электроемкости конденсатора.
Схема МДП-сенсора (рис.1): 1 — пленка Pd (Pt, Ir); 2 — пленка Ta2O5; 3 —
слой SiO2; 4 — пластина кремния; 5 — металлический электрод; 6 —
изолирующая пластина; 7 — пленочный нагреватель; 8 — электрические
Рис.1
контакты нагревателя; 9, 11 — электрические контакты МДП-конденсатора;
10 — терморезистор.
Стандартные размеры сенсора (изображение представлено на
рис.2) составляют около 1 см3. Основной характеристикой
МДП-сенсора является его C-V характеристика (рис.3).
Рис.2
1 – 100 0С; 2 – 150 0С; 3 – 200 0С. Пунктирная кривая
показывает, для примера, вид C-V-характеристики при воздействии
Рис.3
исследуемого газа.
Vсм – напряжение ″смещения″. Точки А, В, В1, D –
соответствуют различным вариантам выбора величины Vсм. C-V-характеристика позволяет судить о
чувствительности МДП-сенсора, а также оценить диапазон работы сенсора.
Принцип действия МДП-сенсора состоит в следующем: под действием газа С-V
характеристика сенсора смещается либо вправо, либо влево в зависимости от того, какой газ
подается на датчик. Для измерения изменения емкости МДП-сенсора необходимо выбрать на
линейном участке С-V характеристики рабочую точку. Она задается напряжением смещения, Vсм.
Изменение емкости сенсора фиксирует электронная схема газоанализатора.
Другой важной характеристикой МДП-сенсора
является динамическая характеристика (рис.4). Исследуя
динамическую характеристику сенсора, можно определить
такие важные технические характеристики сенсора, как
время отклика (τ0.9), время релаксации (τ0.1), величину и знак
отклика сенсора, чувствительность. Эти характеристики
важны для использования МДП-сенсоров в газоанализаторах.
На рисунках 5 и 6 показаны, для сравнения, макет новой
электронной схемы прибора и старая установка.
Преимущества новой установки: компактность, простота в
использовании, функциональность, возможность применения
в качестве измерительной схемы в составе нового
газоанализатора, гибкость в настройке сенсора и отображения полученных с него данных.
Рис.5. Макет нового прибора (схема и фото).
Рис.4
Рис.6. Старая установка (схема и фото).
Именно благодаря вышеперечисленным преимуществам новой электронной схемы возможно
создание газоанализаторов нового поколения на основе МДП-сенсоров, основными областями
применения которых являются водородная энергетика, геофизика, медицина, взрывобезопасность и
научно-исследовательская деятельность.
Литература:
1.
И.Н. Николаев, А.В. Литвинов, Е.В. Емелин. «Возможности использования МДП-сенсоров
в качестве чувствительных элементов газоанализаторов», Датчики и системы, 2007, №5,
стр. 66-73.
2.
«PCap 01. Микросхема класса система на кристалле с преобразователем электрической
ёмкости в цифровой код с интегрированным сигнальным процессором», http://acame.ru/?page_id=417