РАЗРАБОТКА МАКЕТА ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СЕНСОРОВ

Международный конкурс научно-технических
работ школьников «Старт в науку»
РАЗРАБОТКА МАКЕТА ПРИБОРА ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЙ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СЕНСОРОВ
Научный руководитель
Литвинов А.В., к.ф.-м. н., зав. учебной лабораторией каф.№70 НИЯУ
МИФИ
Работу выполнил
учащийся 11 Д-1 класса
ГБОУ лицея №1511 при НИЯУ МИФИ
г. Москвы
Понтус Иван Владимирович
Москва
2013 год
Оглавление
Введение ............................................................................................... 3
МДП-сенсор ........................................................................................... 3
C-V характеристика ............................................................................... 4
Динамическая характеристика ............................................................ 6
Измерительная микросхема ACAM PCap 01 ....................................... 6
Процесс выполнения работы ............................................................... 8
Сравнение установок ............................................................................ 9
Принцип работы схемы ...................................................................... 10
Заключение ......................................................................................... 10
Используемая литература .................................................................. 11
2
Введение
В настоящее время уделяется много внимания экологическому мониторингу окружающей среды, а конкретно – химическому составу атмосферы.
Среди существующих типов сенсоров химического состава газов выделяются
аномально высокой чувствительностью МДП-сенсоры, разработанные на
каф. № 70 НИЯУ МИФИ. Для измерения низких концентраций требуется высокая чувствительность, поэтому актуальна модернизация как самих сенсоров, так и техники, обрабатывающей сигнал с них. МДП-сенсоры представляют собой, по сути, МДП-конденсаторы. Основной их характеристикой является зависимость емкости сенсора от приложенного напряжения, т.е.
вольт-фарадная характеристика.
В данный момент для измерения C-V характеристик МДП-сенсоров используется сложная и сильно устаревшая многоблочная установка. Поэтому в
настоящей работе была поставлена задача – разработать электронную схему
и макет компактного, простого и недорогого прибора для измерения C-Vхарактеристик сенсоров с возможностью дальнейшего применения созданной схемы для разработки принципиально нового поколения газоанализаторов на основе МДП-сенсоров.
МДП-сенсор
Основой МДП-сенсора является МДПструктура. Используемая в рассматриваемом сенсоре структура является МДП-конденсатором. Её
измерения основаны на изменении электроемкости
конденсатора.
Схема МДП-сенсора (рисунок 1): 1 — пленка Pd (Pt,
Ir); 2 — пленка Ta2O5; 3 — слой SiO2; 4 — пластина
кремния; 5 — металлический электрод; 6 — изоли- Рисунок 1
рующая пластина; 7 — пленочный
нагреватель; 8 — электрические контакты нагревателя; 9, 11 —
электрические контакты МДП-конденсатора; 10 — терморезистор. Стандартные размеры сенсора (изображение представРисунок 2
лено на рисунке 2) составляют около 1 см3.
3
C-V характеристика
Основной характеристикой МДП-сенсора является его C-V характеристика.
Она позволяет определить чувствительность сенсора на воздействие различных концентраций газов, выбрать рабочую точку для снятия измерений ёмкости, отследить влияние температурного режима на измерения и подобрать
оптимальный, а также настроить диапазон чувствительности. Полная емкость
структуры складывается из последовательно включенных емкостей изолятора Ci и полупроводника Cs.
C = Ci Cs/(Ci+ Cs)
Для данной толщины изолятора значение Ci постоянно. Емкость слоя
полупроводника Cs зависит от напряжения, приложенного к МДП-структуре,
которое меняет толщину обедненной области полупроводника. В области
положительных напряжений происходит аккумуляция электронов и, соответственно, емкость МДП-структуры максимальна. Таким образом, в этом случае полная емкость определяется емкостью изолятора Ci. При уменьшении
напряжения смещения вблизи поверхности образуется обедненная область,
действующая как дополнительный диэлектрик, включенный последовательно с изолятором, полная емкость при этом уменьшается.
Отличия реальных МДП-структур от идеальных можно объяснить следующими факторами: существованием поверхностных ловушек в полупроводнике, зарядом в диэлектрике, разной величиной работы выхода электрона из металла и полупроводника, проводимостью диэлектрика, внешними
факторами (температурой, ионизирующей радиацией). Влияние вышеперечисленных факторов на вольт-фарадную характеристику идеальной МДПструктуры показано на рисунке 3.
4
C
2
1
3
V
Рисунок 3. Вольт-фарадные характеристики идеальных и не идеальных МДП-структур.
1 – идеальная МДП-структура; 2 – «вытягивание» вольт-фарадной характеристики, обусловленное поверхностными ловушками; 3 – сдвиг из-за разности работы выхода электрона или наличия объемного
заряда в диэлектрике
Проводимость диэлектрика приводит к гистерезису вольт-фарадной
характеристики структуры.
Принцип действия МДП-сенсоров состоит в том, что 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. Изменение емкости сенсора фиксирует электронная схема газоанализатора.
На
рисунке
4
показаны
С-Vхарактеристики сенсора при различных температурах: 1 — 100 оС; 2 — 150 оС; 3 — 200 оС.
Пунктирная кривая показывает, для примера,
вид C-V-характеристики при воздействии исследуемого газа. Vсм — напряжение «смещения». Точки А, В, В1, D соответствуют различным вариантам выбора величины Vсм.
5
Рисунок 4
Динамическая характеристика
Другой важной характеристикой
МДП-сенсора является динамическая характеристика (рисунок 5). 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.
Рисунок 5
Измерительная микросхема ACAM PCap 01
ACAM PCap 01 – микросхема класса «система на кристалле» с преобразователем электрическая «ёмкость-цифровой код» с интегрированным сигнальным процессором. Микросхема использует запатентованный метод
PICOCAP, который позволяет производить вычисления ёмкости с частотой до
500000 измерений в секунду при высших уровнях по разрешению сигнала.
Основой данного метода является измерение времени разрядки конденсаторов. PCap01 имеет возможность подключать до 8-ми ёмкостных датчиков.
Дополнительно может быть измерена температура посредством встроенного
термистора либо с использованием внешних датчиков. Встроенный процессор помогает запрограммировать параметры измерения, а так же регулировать рабочую температуру сенсора. Измеряемая ёмкость может находиться в
диапазоне от единиц пФ до сотен нФ, здесь практически нет ограничения по
величине ёмкости датчиков. Это обеспечивает пользователю определённую
гибкость и позволяет использование чипа в широком спектре датчиков.
PICOCAP успешно сочетает в себе производительность и точность с возможностью очень низкого потребления рабочего тока.
6
Рисунок 6. Блок-схема PCap 01
Рисунок 7. Схема подключения PCap 01
7
Процесс выполнения работы
В качестве предварительной подготовки были изучены принципы работы измерительной схемы PCap-01 и основы языка программирования Си,
основы построения электрических схем, принципы работы интерфейсов связи I2C, SPI, RS232.
В дальнейшем была спроектирована и собрана электрическая схема
(рисунок 8), состоящая из следующих компонентов:
- микросхемный преобразователь «ёмкость-код» PCap-01 производства
фирмы ACAM для измерения ёмкости МДП-сенсора;
- микроконтроллер ATMega 8 производства фирмы ATMel для получения и
обработки данных с PCap 01, передачи этих данных на компьютер посредством порта RS-232, и задания напряжения смещения через ЦАП;
- ЦАП для задания напряжения смещения, подаваемого на сенсор;
- микросхема для связи с компьютером посредством шины RS232
Для каждого компонента были написаны соответствующие программы на
языке Си.
Для визуализации данных на компьютере была использована готовая программа поставляемая с платой разработчика для PCap 01 от фирмы ACAM, но
в дальнейшем она будет заменена на программу собственной разработки.
Рисунок 8. Электронная схема макета прибора
8
Сравнение установок
Рисунок 9. Старая установка
Рисунок 11. C-V характеристика сенсора К-3, полученная с
помощью старой установки.
Рисунок 10. Собранный макет прибора
Рисунок 12. C-V характеристика сенсора К-3, полученная с помощью нового прибора. Напряжение смещения по оси Х показано в условных единицах и изменяется от 7 (-2,0 В) до 401
(+0,5 В).
При сравнении полученных C-V характеристик (рисунки 11-12) видно,
что разработанная схема проводит измерения корректно, а также обладает
следующими преимуществами: 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. Спроектированный прибор позволяет проводить измерения с точностью до 0,5 пФ, что соответствует концентрации H2 равной 0,05 ppm, NO2– 0,5 ppm, H2S – 5 ppm.
9
Принцип работы схемы
1. Микропроцессор подает на ЦАП команду для начала развёртки напряжения смещения;
2. ЦАП начинает генерировать линейную развёртку напряжения смещения от -2 В до 0,5 В;
3. PCap 01 проводит измерение ёмкости МДП-сенсора, а затем передаёт
данные на микропроцессор;
4. Микропроцессор после обработки данных передаёт значения ёмкости
и напряжения смещения в данный момент на компьютер с помощью
шины RS232;
5. Программное обеспечение на компьютере сопоставляет полученные
данные и выводит на экран в виде графика.
Заключение
В результате проделанной работы разработан действующий макет
прибора для измерений C-V характеристик МДП-сенсоров с точностью до 0,5
пФ. Данный макет позволит в будущем:
1. Создать газоанализатор газов H2, H2S, NO2и NH3 нового поколения на
основе МДП-сенсора с чувствительностью до 0,1 пФ/ppm;
2. Измерять C-V характеристику МДП-сенсора непосредственно в приборе.
В процессе эксплуатации силами оператора прибора:
3. Проводить настройку чувствительности прибора (калибровку);
4. Проводить перестройку диапазонов работы (сейчас под каждый диапазон изготавливается отдельный прибор);
5. Задавать температурный режим работы сенсора;
6. Диагностировать текущее состояние прибора в процессе его эксплуатации.
10
Используемая литература
1. И.Н. Николаев, А.В. Литвинов, Е.В. Емелин. «Механизм чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов», Датчики и системы, 2006,
№7, стр. 66-73.
2. 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.
3. «PCap 01. Микросхема класса система на кристалле с преобразователем электрической ёмкости в цифровой код с интегрированным сигнальным процессором», http://acam-e.ru/?page_id=417
4. А.В. Евстифеев «Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы
«ATMEL»
5. М.Б. Лебедев «CodeVision AVR: пособие для начинающих»
11