Твердотельный датчик газов как элемент системы дистанционного мониторинга воздушной среды

Актуальность темы

.

При современном развитии технологии и промышленности, связанных со сложными экологическими опасными процессами, является острой проблема создания и применения средств, позволяющих получать и анализировать информацию в реальном времени о состоянии окружающих газовых сред вокруг вредных и опасных производств. Применение различных информационно-измерительных систем позволит устранять причины различных аварий, связанных с утечкой ядовитых и взрывоопасных жидкостей и газов.

Информационно-измерительные системы (ИИС) должны обладать хорошей помехоустойчивостью, высоким быстродействием, стабильностью параметров, надежностью, быть простыми в эксплуатации. Очень важен критерий экономичности ИИС. Причем в это понятие включается не только стоимость системы, но и эксплуатационные расходы, связанные с энергопотреблением, поддержанием исправного состояния в случае непредвиденных отказов и планового обслуживания.

ИИС можно условно разделить на несколько основных составных частей: чувствительные элементы (т.е. датчики газов), устройства передачи и приема измерительной информации, среда передачи, устройства анализа и отображения результатов контроля.

Сенсорные элементы датчиков газов таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. Среди многообразия газовых сенсоров указанным требованиям наиболее подходят соединения на основе БпОг, ZnO, У205, 1п20з, СоО, М§-0 и др. Наибольшее применение находит БпОг, который характеризуется высокой механической и химической стойкостью и более низкими рабочими температурами (300°-^400°С) по сравнению с другими оксидами металлов. Легирование 8пОг различными примесями позволяет существенно снизить эти температуры, а, следовательно, уменьшить энергозатраты на обеспечение режима работы датчиков.

Наиболее перспективными являются датчики, изготовленные по микроэлектронной технологии. При этом за счет применения стандартных, 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, сигналы 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 информационно-измерительные системы 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 газов в воздухе с использованием кабельных линий связи и телефонных каналов. Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решить следующие задачи:

1. Разработать методику термостабилизации электрических параметров твердотельных датчиков газов изготовленных по микроэлектронной технологии после их хранения на воздухе.

2. Исследовать чувствительность датчиков к токсичным и взрывоопасным газам в широком интервале температур и концентраций газов.

3. Разработать систему преобразования малых сигналов датчиков для помехоустойчивой передачи и приема по кабельным линиям связи и телефонным каналам.

4. 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 полученных результатов.

1. Определены время и температура стабилизационного изотермического отжига тонкопленочных датчиков, изготовленных по микроэлектронной технологии на основе БпОг, легированного кремнием (2,5% ат.).

2. Установлено, что легирование пленок 8пОг 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.

3. Разработаны принципы и реализованы устройства преобразования сигналов датчика в частоту для дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием кабельной линии.

4. Разработаны принципы и реализованы устройства преобразования сигналов датчика в частоту для дистанционного мониторинга воздушной среды с использованием телефонных каналов.

Практическая значимость.

1. Методика и режимы термостабилизации параметров топкоплепочных датчиков газов найдут применение при организации производства датчиков по микроэлектронной технологии и при их эксплуатации.

2. Экспериментальные данные о температурной зависимости газовой чувствительности пленок БпОг, легированных кремнием, могут быть использованы при оптимизации технологии изготовления сенсорных слоев на основе 8П02.

3. 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.).

4. ИИС 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, выносимые на защиту 1. Режимы и условия термостабилизации электрических параметров тонкопленочных датчиков газов после длительного хранения.

2. Газочувствительиые свойства пленок БпСЬ, легированных кремнием (2,5% ат.), улучшенные по сравнению с газовой чувствительностью нелегированных пленок 8п02.

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.

Материалы диссертации докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГТУ в 2003, 2004, 2005 г.- на XXIII и XXIV международных научно-технических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 2003 и 2004 годына XVI научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Крым, 2004 г.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в шести работах в виде статей (в том числе одна статья в центральном журнале) и тезисов докладов.

В совместных работах автор принимал участие в подготовке и проведении эксперимента, в обсуждении полученных результатов и подготовке полученных работ к печати.

Консультирование по возникающим в ходе выполнения работы методическим и технологическим вопросам, связанным с работой радиоэлектронной аппаратуры, осуществлял доктор физико-математических наук Митрохин В.И.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (92 наименования) и приложения. Объем диссертации составляет 117 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков и 10 таблиц, а также Приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Отработаны режимы и методики подготовки к работе датчиков газов, сенсоры которых изготовлены на основе оксида олова, легированного кремнием. Установлена продолжительность стабилизационного изотермического отжига после длительного хранения и после перерыва в работе порядка одних суток.

2. Анализ стабильности параметров датчиков при их длительном хранении на воздухе при комнатной температуре показал, что сопротивление нагревателей и термометров заметно не изменяется, а сопротивление сенсоров при комнатной температуре окружающей воздушной среды может изменяться значительно, однако стабилизационный отжиг позволяет восстановить параметры датчика.

3. Установлена газовая чувствительность датчиков на основе БпОг, легированного кремнием (2,5% ат.) к парам ацетона, аммиака и этанола. Определены температуры максимальной газовой чувствительности к этим газам. Полученные значения температуры оказались ниже, а величина чувствительности значительно выше, чем у датчиков изготовленных на основе нелегированного БпОг.

4. Разработаны устройства, обеспечивающие дистанционный мониторинг газовой среды с использованием тонкопленочного датчика. Проверена их работоспособность, изучены зависимости выходных сигналов от входных.

5. Определены условия передачи измерительной информации по проводной линии: необходимость и достаточность преобразования сигналов от датчика, параметры и тип кабелей, используемых в качестве направляющей системы. Установлена линейная зависимость выходных сигналов от входных при передаче информации на расстояние 1000 м. Произведена оценка максимальной дальности работы информационно-измерительной системы без применения дополнительных промежуточных усилителей.

6. Произведена экспериментальная проверка работы системы при передаче сигналов по телефонным каналам. В результате оценки помехоустой.

107 чивости системы определены основные мешающие воздействия на полезный сигнал: малая полоса пропускания телефонного канала, дробление импульсов, краевые искажения импульсов передаваемого сигнала. Для увеличения достоверности передаваемого сигнала и для согласования передающего устройства с параметрами телефонного канала предлагается использование низкочастотного усилителя и интегратора, для согласования приемного устройства — использование согласующего трансформатора и амплитудного ограничителя.