Международный конкурс научно-технических работ школьников «Старт в науку»
РАЗРАБОТКА МАКЕТА ПРИБОРА ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЙ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СЕНСОРОВ
Научный руководитель
, к. ф.-м. н., зав. учебной лабораторией каф.№70 НИЯУ МИФИ
Работу выполнил
учащийся 11 Д-1 класса
ГБОУ лицея № 000 при НИЯУ МИФИ
г. Москвы
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
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-V-характеристик сенсоров с возможностью дальнейшего применения созданной схемы для разработки принципиально нового поколения газоанализаторов на основе МДП-сенсоров.
МДП-сенсор
Основой МДП-сенсора является МДП-структура. 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 — изолирующая пластина; 7 — пленочный нагреватель; 8 — электрические контакты нагревателя; 9, 11 — электрические контакты МДП-конденсатора; 10 — терморезистор. Стандартные размеры сенсора (изображение представлено на рисунке 2) составляют около 1 см3.
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 МДП-структуры показано на рисунке 3.
|
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-V-характеристики 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.
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.
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.
Рисунок 6. Блок-схема PCap 01
Рисунок 7. Схема подключения PCap 01
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
Сравнение установок
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.
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.
Используемая литература
1. , , . «Механизм чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов», Датчики и системы, 2006, №7, стр. 66-73.
2. , , . «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. «Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL»
5. «CodeVision AVR: пособие для начинающих»
