В измерительных каналах современных технических систем управления используются датчики физических величин. Характерной тенденцией совершенствования таких систем управления является применение в них электронных блоков на основе интегральных микросхем, в том числе интегральных датчиков (ИД), содержащих в корпусе несколько электронных элементов. В системах управления климатическим и экологическим состояниями окружающей среды производственных и бытовых зон, в системах обеспечения взрывои пожаробезопасносш объектов необходимо использовать датчики и приборы для измерения концентраций различных газов.
Большинство из существующих газоаналитических средств представляет собой крупногабаритные, сложные, дорогие приборы и системы, оптические и электрохимические принципы измерения в которых не всегда позволяют определять концентрацию газа в реальном масштабе времени, т. е. без предварительного взятия проб. Исследования газового состава среды с помощью этих средств являются дорогостоящими, требуют больших затрат времени и, как правило, неприменимы для работы во внелабораторных условиях.
В настоящее время существует проблема создания мобильных (малогабаритных с низкой потребляемой мощностью), быстродействующих и относительно недорогих измерительно-информационных средств определения малых концентраций газов в реальном масштабе времени. Такие средства необходимы для решения многих научно-технических и социальных задач: 1) обеспечение взрывои пожаробезопасное&tradeпромышленных и военных объектов (атомные электростанции, шахты, места хранения и производства аккумуляторных батарей, хранилища атомного оружия, ракеты и самолёты с водородными двигателями) — 2) экологический контроль состояния окружающей среды (химическая, горнорудная, газои нефтедобывающая промышленности) — 3) задачи обнаружения наркотических и взрыво-опасных веществ (борьба с наркобизнесом и терроризмом) [1−3].
Для решения этой проблемы перспективным представляется разработка приборов и систем с микроэлектронными датчиками (МЭД) — электронными датчиками на основе микрои нанотехнологий. Миниатюрность, механическая прочность, прецизионность, надёжность и низкая стоимость являются отличительными особенностями МЭД. При этом чувствительность, быстродействие и рабочий диапазон измерения концентраций газов во многом определяются типом выбранного чувствительного элемента [4].
В рамках решения первой из перечисленных выше задач весьма актуальной является задача создания средств контроля концентрации водорода в среде. Водород при определенных концентрациях может привести к взрывоопасной и пожароопасной ситуациям, особенно в кислородосодержащих средах. Например, на атомных и тепловых электростанциях, а также в производственных зонах предприятий по созданию ядерного топлива возможно выделение газообразного водорода, а в реактивных двигателях на водородном топливе возможна утечка газообразного водорода сначала в гелий и затем в воздух, что также может привести к взрывоопасным ситуациям.
Многолетние исследования различных типов чувствительных элементов (ЧЭ) малых концентраций водорода и водородсодержащих газов показали, что по основным характеристикам (чувствительности, быстродействию, диапазону преобразования, габаритам и потребляемой мощности) достаточно перспективными представляются чувствительные элементы на основе МДП-структур, в частности, чувствительный элемент на основе МДП-транзисторов с палладие-вым затвором (ТЧЭ). Важным качеством МДП-транзисторов (МДПТ) является также то, что вследствие их технологической совместимости с технологиями изготовления ИМС они перспективны как чувствительные элементы интегральных датчиков и измерительных микросистем.
Создание интегральных датчиков (ИД), содержащих в одном корпусе несколько элементов, изготовленных с применением микрои нанотехнологий, является одним из новых направлений развития газоаналитического приборостроения. Улучшенные характеристики таких датчиков достигаются за счёт 7 возможности размещения на одном чипе чувствительных и актюаторных (например, нагревательных) элементов, устройств вторичного преобразования и обработки сигналов чувствительных элементов. Поэтому в настоящее время разработчики газоаналитических измерительных средств уделяют повышенное внимание интегральным датчикам и микросистемам на их основе.
В последние годы на кафедре микрои наноэлектроники: МИФИ разработаны интегральные датчики концентрации водорода, основными чувствительными элементами в которых являлись плёночные резисторы, МДП-конденсаторы или МДП-транзисторы с палладиевыми или платиновыми затворами. Предварительные исследования показали, что наибольшую чувствительность имеют чувствительные элементы на основе МДП-транзисторов с палла-диевым затвором (ТЧЭ). Для дальнейших исследований метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ и возможностей их применения в реальных приборах были разработаны и изготовлены тестовые интегральные датчики (серия ИДВ-3). Интегральный датчик ИДВ-3 содержит четыре базовых элемента: два основных чувствительных элемента (тонкоплёночный палладиевый резистор и n-канальный МДП-транзистор со структурой Pd — Та205 — Si02- Si), вспомогательный чувствительный элемент (МДП-транзистор с алюминиевым затвором, стоковый (р-п) — переход которого используется как термочувствительный элемент) и актюаторный элемент (нагреватель на основе диффузионного резистора). Все элементы ИДВ-3 имеют отдельные выводы.
На первых этапах исследований датчиков водорода были изучены возможные диапазоны измеряемых концентраций, физические механизмы чувствительности датчиков, влияние конструктивно-технологических факторов на параметры их водородных откликов и предложена предварительная физико-математическая модель, описывающая передаточную характеристику ТЧЭ. Результаты этих исследований подробно представлены в работах Фоменко C.B. [5−6], в диссертации Никифоровой М. Ю. [7] и, частично, в ранних работах автора данной диссертации [8−10]. Научные исследования на этом этапе проводились в рамках хоздоговорных тем, основными «Заказчиками» которых были 8.
РНЦ «Курчатовский Институт» (г. Москва), НИИ физических измерений (г. Пенза), Институт горного дела РАН (г. Люберцы), а также в рамках госбюджетных тем по ЕЗН и конкурсных тем по Межвузовской инновационной программе «Датчики». Для создания газоаналитических приборов и микросистем на основе интегральных датчиков предполагалось совместно с ведущими предприятиями электронной промышленности, институтами РАН и рядом ВУЗов провести НИР и НИОКР по разработке конструктивно-технологических и микросхемотехнических основ проектирования новых типов датчиков и микроприборов, с учётом возможности их изготовления с применением отечественных микрои нанотехнологий. Однако выполнение таких работ стало в принципе невозможным после резкого сокращения количества научных программ и финансирования НИР в России, развала многих наукоёмких отраслей промышленности и, как следствие, оттока научных кадров в другие сферы деятельности. Поэтому темп научных исследований в последнее десятилетие значительно снизился. Разработка нового типа интегрального датчика водорода ИДВ-4 с пониженной потребляемой мощностью на основе МЕМ8-технологии была приостановлена на стадии изготовления комплекта фотошаблонов.
В период действия инновационной программы «Датчики» работы в этой области были, в основном, направлены на изготовление и реализацию датчиков. Первые опыты практического применения датчиков ИДВ-3 в мобильных контрольно-измерительных приборах и детекторах (оповещателях повышения концентрации водорода) выявили ряд недостатков, которые могут ограничить области их применения. Это — во-первых, повышенная потребляемая мощность, что сокращает время их работы при одной зарядке источников питания и требует аттестации приборов на взрывобезопасностьи, во-вторых, в ряде случаях измерения имеют большую погрешность, которая изменяется во времени, что требует периодической калибровки приборов. Предположительно второй недостаток объяснялся временной и температурной нестабильностью параметров датчиков и схем вторичного преобразования приборов. Для проверки предположения были проведены дополнительные исследования долговременной ста9 бильности характеристик датчиков, результаты которых опубликованы автором [11] и приведены в диссертации. Количественные оценки различных видов погрешностей при измерениях концентраций водорода с помощью ИДВ-3 с учётом их динамических составляющих до сих пор не проводились. Неисследованным вопросом также является влияния водорода, температуры и электрических режимов работы на характеристики других элементов ИДВ-3, которые могут тоже привести к дополнительной погрешности. Кроме того, научный и практический интерес представляют исследования селективности датчиков водорода по отношению к другим газам, а также влияния внешних побочных факторов на основные характеристики всех элементов датчиков.
Как электронный элемент МДП-транзистор имеет нелинейные электрические характеристики, управляемые напряжениями между затвором и подложкой, между стоком и истоком, а также пороговым напряжением. Поскольку основной эффект действия водорода на ТЧЭ заключается в изменении порогового напряжения, то тип схемы и электрические режимы включения МДГТ-транзистора в измерительные цепи могут влиять на характеристики датчика. Однако схемотехнические вопросы проектирования вторичных преобразователей датчиков и приборов на основе МДП-транзисторных чувствительных элементах с учётом их реальных метрологических и эксплуатационных характеристик подробно не изучались. Решения перечисленных вопросов позволит получить рекомендации по оптимальному выбору типа схемы, параметров элементов и электрических режимов их работы, что является очень важным при проектировании интегральных датчиков и микросистем, в которых конструктивно-технологические и схемотехнические решения должны определяться «жёстко».
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 (получение 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 системах.
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 ЧЭ в базовых ячейках интегральных датчиков на основе многокристальных сборок;
— экспериментально исследованы временной дрейф порогового напряжения, метрологические и эксплуатационные характеристики МДП-транзисторных чувствительных элементов при долговременных испытаниях датчиков;
— в результате экспериментальных исследований 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 температурустановлено, что оптимальный интервал рабочих температур (с точки зрения минимального влияния колебаний температуры кристалла) составляет (120-И 40)°С, а максимальная чувствительность к водороду проявляется при температуре кристалла (175-И 80)°С и при значениях начального напряжения на затворе, лежащих в пределах от 0,3 В 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 вариантов 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 порогового 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 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 водоро-дочувствительных 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;
2) 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;
3) 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;
4) результаты исследования влияния на 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 датчиков (чувствительности, диапазона преобразования, линейности функции преобразования, порога чувствительности и погрешности измерений) в заданном диапазоне концентраций газа;
6) рекомендации по практическому применению интегральных датчиков на основе ТЧЭ в приборах и системах, предложения по их дальнейшим разработкам.
В первой главе проводится анализ публикаций по состоянию разработок в области элементов и характеристик газочувствительных интегральных датчиков.
14 и микросистем, рассматриваются различные типы и принципы работы чувствительных элементов, проведена их классификация, отмечены специфика и пути создания газочувствительных интегральных датчиков, показана перспективность применения МДП-транзисторных чувствительных элементов в интегральных датчиках концентраций водородосодержащих газов. Во второй главе рассмотрены физические принципы работы МДПТЧЭ, метрологические, эксплуатационные и конструктивно-технологические характеристики водородо-чувствительных ТЧЭ разных серий ИДВ. В третьей главе рассмотрены методы, средства и результаты экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ, разработаны физико-математические модели характеристик ТЧЭ и определены их параметры. Приведены результаты экспериментального исследования влияния температуры кристалла, временного дрейфа порогового напряжения, электрического режима работы ТЧЭ и внешних факторов на погрешность, стабильность и воспроизводимость характеристик ИДВ-3 при их долговременной эксплуатации. В четвёртой главе приводятся результаты анализа характеристик схем и режимов включения ТЧЭ в измерительные цепи и принципы выбора электрических параметров схем для улучшения характеристик интегральных датчиков водорода. В пятой главе рассмотрены возможности оптимального выбора схем включения и электрических режимов работы МДП-транзисторных чувствительных элементов для проектирования на их основе датчиков и микросистем, даны рекомендации по практическому применению ТЧЭ в датчиках и приборах. В заключение обсуждаются основные результаты диссертации .
5.4. Выводы.
1. Разработанные математические модели характеристик схем позволяют производить анализ и оптимальный выбор режимов работы и параметров схем и оценки их предельных возможностей.
2. В схеме с линейной передаточной характеристикой (№ 1) ТЧЭ работает в режиме, при котором заряд поверхностных состояний на границе диэлектрик-полупроводник не изменяется, и следовательно, соответствующая составляющая погрешности равна нулю. Кроме того, возможен выбор рабочей точки с минимальной погрешностью, обусловленной дрейфом начального порогового напряжения и разбросов параметров схемы.
3. В схемах с нелинейными передаточными характеристиками оптимальный выбор режимов достигается за счёт выбора напряжения питания, напряжения на затворах ТЧЭ и сопротивлений резисторов при заданных конструктивно-технологических, метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ.
4. Разработаны рекомендации по практическому применению ТЧЭ в составе ИД с учётом предельных характеристик датчиков и условий их эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
I.
Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.
1. При создании газочувствительных ИД важным этапом является выбор элементов его базовой ячейки (БЯ) — (минимального набора необходимых элементов, интегрируемых в ИД): основного ЧЭ, нагревательного элемента (НЭ) и термочувствительного элемента (ТЭ). Из-за принципиально высокой рабочей температуры ЧЭ газочувствительных датчиков устройства вторичного преобразования и сбора данных интегрировать на одном кристалле с элементами БЯ нецелесообразно. Поэтому при создании ИД и микросистем предпочтение следует отдавать многокристальным конструкциям, в которых функционально первым является базовый кристалл (БК) — чип (безкорпусная ИМС), содержащий в законченном конструктивно-технологическом виде элементы БЯ и малочувствительные к температуре элементы.
2. При рассмотрении полевых транзисторов со структурами элек-трод (затвор)-диэлектрик-полупроводник как многофункциональных ЧЭ датчиков (температуры, световых и ионизирующих излучений, концентраций ионов электролитов и молекул окружающих газов) выявлены их общие особенности — выходным информативным параметром для всех ЧЭ является изменение порогового напряжения AU0, нелинейно зависищее от входного информативного параметре X, стремясь к максимальному значению AUM, которое зависит от электрического режима ЧЭ. Предложены формулы для моделирования характеристик водородочувствительных ТЧЭ при постоянной его рабочей температуре, учитывающие влияющие факторы и изменения заряда поверхностных состояний.
3. На основе аппроксимации экспериментальных зависимостей разработаны физико-математические модели откликов ТЧЭ для разных концентраций водорода с учётом основных составляющих погрешностей и определены её параметры, что явилось научной основой исследования характеристик.
ИД с ТЧЭ, а также математическим обеспечением имитаторов датчиков для отладки измерительных приборов и систем.
4. В результате исследований характеристик ТЧЭ определены основные причины, модели и количественные значения составляющих погрешностей измерений концентрации водорода (временной дрейф порогового напряжения ТЧЭ, изменения температуры кристалла, действие излучений и других газов, разброс параметров отклика, изменение напряжения на затворе, погрешности средств оценки электрического напряжения, концентрации водорода и времени).
5. Зависимости чувствительности ТЧЭ от температуры кристалла и электрических режимов их включения использовались для оптимизации значений рабочих режимов и температур — оптимальный интервал рабочих температур (с точки зрения минимального влияния колебаний температуры кристалла) составляет (120−4 40)°С, а максимальная чувствительность к водороду проявляется при температуре кристалла (175-И80)°С и при значениях начального напряжения на затворе, лежащих в пределах от 0,3 В 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.
6. Получены формулы для расчёта основных характеристик схем включения ТЧЭ в измерительные цепи, на основе которых показано, как функция преобразования, порог чувствительности и чувствительность, потребляемая мощность и диапазон преобразования схем, переходная характеристика и систематическая погрешность измерения концентрации водорода зависят от типа и конфигурации схемы, количества чувствительных элементов, начальных значений порогового напряжения и напряжения на затворе ТЧЭ, напряжения питания и сопротивлений резисторов.
7. Рассмотрены возможности оптимального выбора схем и электрических режимов их работы по заданным критериям и исходным характеристикам.
