Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Коваленко, Андрей Викторович

• Коваленко, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коваленко, Андрей Викторович

Часто используемые в диссертации термины, сокращения и условные обозначения элементов датчиков и микросистем.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭЛЕМЕНТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ И МИКРОСИСТЕМ

1.1. Микроэлектронные средства измерения концентраций газов.

1.1.1. Структурно- функциональные схемы газоаналитических микросистем и приборов.

1.1.2. Конструктивно-технологические решения создания измерительных устройств и систем в интегральном исполнении.

1.1.3. Интегральные датчики и их структура.

1.2. Чувствительные и актюаторные элементы интегральных датчиков концентраций газов.

1.2.1 .Чувствительные элементы резисторного и резисторно-ёмкостного типа

1.2.2. Каталитические и электрохимические чувствительные элементы.

1.2.3. Массочувствительные чувствительные элементы.

1.2.4. Чувствительные элементы на основе диодов Шотки.

1.2.5. Чувствительные элементы на основе МДП-структур.

1.2.6. Оптические и оптоволоконные чувствительные элементы.

1.2.7. Нагревательные актюаторные элементы.

1.3. Характеристики газочувствительных интегральных датчиков.

1.3.1. Метрологические характеристики датчиков.

1.3.2. Эксплуатационные характеристики и особенности газочувствительных интегральных датчиков.

1.3.3. Пути и проблемы создания интегральных датчиков концентрации га зов.

1.4. Выводы.

Глава 2. МДП-ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. МДП-трагоистор как чувствительный элемент датчиков.

2.2. Характеристики газочувствительных МДПТЧЭ.

2.2.1. Метрологические характеристики газочувствительных МДПТЧЭ.

2.2.2. Конструктивно-технологические характеристики МДПТЧЭ газочувствительных интегральных датчиков.

2.3. Характеристики МДП-транзисторных чувствительных элементов интегральных датчиков водорода серий ИДВ.

2.3 Л. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-1.

2.3.2. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-2.

2.3.3. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-3.

2.4. Выводы

Глава 3. МЕТОДИКА, СРЕДСТВА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1. Общая методика экспериментальных исследований характеристик ИДВ.

3.2. Измерительный комплекс для исследования характеристик ИДВ.

3.3. Результаты экспериментальных исследований характеристик ТЧЭ.

3.3.1. Отклики ТЧЭ.

3.3.2. Физико-математическая модель откликов ТЧЭ.

3.3.3. Основные метрологические и эксплуатационные характеристики.

3.3.4. Оценка вклада различных факторов в полную погрешность измерения концентрации водорода датчиком на основе ТЧЭ.

3.3.5. Влияние дрейфа начального значения порогового напряжения.

3.3.6. Влияние температуры кристалла.

3.3.7. Влияние электрического режима работы ТЧЭ.

3.3.8. Влияние водорода на другие элементы базовой ячейки ИДВ-3.

3.3.9. Влияние световых излучений на характеристики ТЧЭ.

З.ЗЛО.Влияние других газов на характеристики ТЧЭ.

3.3.11 .Результаты долговременных испытаний ТЧЭ.

3.4. Выводы.

Глава 4. АНАЛИЗ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ.

4.1. Базовые схемные конфигурации.

4.2. Расчёт основных характеристик схем включения ТЧЭ.

4.3. Обсуждение результатов анализа характеристик схем.

4.4. Выводы.

Глава 5. МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА СХЕМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ.

5.1. Выбор рабочих электрических режимов для схемы №

5.2. Выбор рабочих электрических режимов для схем №№ (2 ; 5) и №8.

5.2.1. Повышение чувствительности датчика.

5.2.2. Повышение крутизны переходной характеристики датчика.

5.2.3. Линеаризация передаточной характеристики датчика

5.2.4. Уменьшение порога чувствительности датчика.

5.2.5. Уменьшение погрешности влияющих величин.

5.3. Рекомендации по практическому применению ТЧЭ в интегральных датчиках и приборах

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов»

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 взрыво- и 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 взрыво- и пожаробезопасное™ промышленных 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, газо- и 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 микро- и 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 микро- и 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 микро- и 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 микро- и 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 взрывобезопасность; и, 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 температур; установлено, 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 0,3В 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;

13

- 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 .

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Коваленко, Андрей Викторович

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 0,3В 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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коваленко, Андрей Викторович, 2008 год

1. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник // М., Техносфера,2006,- 592 с,

2. Lundstrom L, Sundgren Н., Winquist F., Eriksson M., Krants-Riilcker С.1.oyd-Spets A. Twenty-five years of field effect gas sensor research in Linkoping // Sensors and actuators, B.-2007.-№121 .-P. 247-262.

3. Джексон P.P. Новейшие датчики // M., Техносфера, 2007.- 384 с.

4. Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.Pi. Интегральные сенсоры концентраций газов // Датчики и системы.-2002.-№>4- С. 38-53.

5. Fomenko S., Gumenjuk S., Podlepetsky В. и др. The influence of technological factors on the hydrogen sensitivity of MOSFET sensors // Sensors and actuators B.-4992.-№ 11 .-P. 7-10.

6. Фоменко С.В., Подлепецкий Б.И., Гуменюк С.В. Интегральные полупроводниковые датчики водорода // Измерительная техника. -1995.~№1.-С. 22-25.

7. Никифорова М.Ю. Диссертация "Чувствительные МДП элементы для интегральных полупроводниковых датчиков водорода", 2003- с. 124.

8. Подлепецкий Б.И., Гуменюк С.В., Дедовский К.В., Коваленко А.В. Исследование характеристик кремниевых датчиков водорода.//Приборы и системы управления, № 9, 1998, 71-73.

9. Ледовский К.В., Подлепецкий Б.И., Гуменюк С.В., Коваленко А.В. Исследование характеристик кремниевых датчиков водорода.// Сборник научных трудов, часть 5. Научная сессия МИФИ-98, М., МИФИ,1998, 257-258.

10. В. Podlepetsky, S. Gumenjuk, К. Ledovsky, A. Kovalenko INTEGRATED HYDROGEN GASES MTCROSENSORS // Proceedings of VIU Int. Symposium on Measurements and Control in Robotics, 1998, Praque, Czech Republic, p. 17.

11. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю., Гуменюк C.B., Коваленко A.B. Исследования стабильности характеристик интегральных сенсоров водорода и влияния на них светового излучения.// Датчики и системы. 2001. №6, с. 29-31.17.

12. Подлепецкий Б.И. Интегральные полупроводниковые сенсоры для измерения малых концентраций водородосодержащих газов // CHIP NEWS-1997.-ЖЗ.-С. 26-27.

13. Подлепецкий Б.И. Интегральные полупроводниковые сенсоры. Состояние и перспективы разработок//СН1Р NEWS , №5, 1998, 38-45.

14. Подлепецкий Б.И., Фоменко C.B. Микроэлектронные датчики газового состава // Зарубежная электронная техника.-1988.-№ 2.-С. 3-39.

15. Подлепецкий Б. И. Микроэлектронные датчики концентрации газов // Тр. конф. «Датчик-99»: Тез. докл.-Гурзуф, 1999.-С. 30-31.

16. ГОСТ Р 51086 -97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения.

17. ГОСТ Р 52136 2003 (МЭК 61779-1-98) Газоанализаторы и сигнализаторы горючих газов и паров электрические. Часть 1. Общие требования и методы испытаний.

18. ГОСТ Р ИСО 5725-1 -2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения.

19. Lundstrom I., Shivaraman M.S., Svenson C, A hydrogen-sensitive MOS field-effect transistor // Appl.Phys.Lett.-1975.-V.26.-№2.-P. 55-57.

20. Lundstrom I., Shivaraman, Svenson C. Chemical reactions on palladium surfaces studied with Pd-MOS structures // Surface Sci.-1977.-№64.-P. 497-519.

21. Morrison S.R. Selectivity in semiconductor gas sensors // Sensors and actuator s.-19 8 7 .-№ 12.—P. 425-440.

22. Fare T.J., Zemel J.N. Admittance studies of hydrogen-induced states at the silicon-silicon dioxide interface // Sensors and actuators.-1987.-V.ll.-№2.-P. 101-135.

23. Moseley P.T., Tofield B.C. Solid state gas sensors. Bristol, 1987.-245 c,

24. Lundstrom I., Carlsson A., Eriksson M., Utaiwasin C. Gas response dependence on gate metal morphology of field-effect devices / // Sensors and actuators B: Chemical-2001 .-V.80.-№3.-P. 183-192.

25. Ekedahl L.-G., Tobias P., Salomonsson P. Detection of HC in exhaust gases by an array of MISIC sensors / Lundstrom L, // Sensors and actuators B: Chemical .-2001 .-V.77.-№l-2.-P. 177-185.

26. Spetz A. L., Tobias P., Uneus L., Svenningstoф H., Lundstrom 1. High temperature catalytic metal field effect transistors for industrial applications/ // Sensors and actuators B: Chemical.-2000.-V.70.-Mil-3.-P. 67-76.

27. Lundstrom I., Spetz A. L., Goras A., Tobias P., Martensson P. Moving gas outlets for the evaluation of fast gas sensors / // Sensors and actuators B: Chemical.-1999 -V.58.-№ 1 -3 -P. 389-393.

28. Lundstorm I. Gas sensors based on catalitic metal-gate field-effect devices // Sensors and actuators-1986.-№10.-P. 399-421.

29. Flandre D. SOI CMOS technology for high-temperature microsystems // MST News.-1998.-№2.-P. 18-20.

30. Gottfried K., Vogel M., Hoffman R. Gas sensor for high temperature application// MST News.-2001 .-№4/01 .-C. 10-12.

31. Влияние вохюрода на электрические характеристики МОП-структур стунмельно тонким диэлектриком / Гаман В.И., Дробот П.Н., Дученко182

32. М.О., Калыгина В.М. // Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.~1996.-№11 -С. 64-73.

33. Rittersma Ch., Kalinowski Т., Benecke W. Microsystem application of porous silicon // MST News-1999.-№3-P. 10-11.

34. Williams D.E., Pratt K.F.E. Microstructure effects on the response of gassensitive resistors based on semiconducting oxides // Sensors and actuators, B: Chemical.-200l.-V.70.-№ 1-3.-P. 214-221.

35. Pijolat C., Tournier G. Influence of oxygen concentration in the carrier gas on the response of tin dioxide sensor under hydrogen and methane // Sensors and actuators, B: Chemical.-1999.--V.61 .-№ 1-3.-P. 43-50.

36. Kim Y.B., Kim T.S., Yoo K.S. Sensing characteristics of DC reactive sputtered W03 thin films as an NOx gas sensor // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.62.-№2.-P. 102-108.

37. Solzbacher F., Imavan C., Steffes H. Gas-sensing characteristics of modified-M.0O3 thin films using Ti-overlayers for Ni b, gas sensors // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.64.-№ 1 -3 -P. 193-197.

38. Meyer J., Lee M. A new process for fabricating C02-sensing layers based on ВаТЮз and additives // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.68.-№l-3.-P. 293-299.

39. Никифоров А.Ю., Подлепецкий Б.И., Телец В.А. Принципы формирования системы нормативных документов на микроэлектронные компоненты датчиков // Измерительная техника.-1997.-№3.-С. 12-15.

40. Schoonman J., van Rij L.N., van Landschoot R.C. Detection of methane in oxygen-poor atmospheres using a catalytic asymmetric sensor design // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001 .-V.75-№l-2.-P. 1 11-120.

41. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники // М.: Лаборатория базовых знаний, 2000.

42. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 т.-Пер. с англ.-М. Мир, 1984.-2 т.

43. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров А.А. Структура и динамика молекулярных систем // Материалы IV Всероссийской конференции: Тез. докл.-Йокшар-Ола-Казань-Москва, 1997.-Ч.2. С. 10.

44. Morrison G. Potentiometric gas sensors based on fact solid electrolytes // Sensors and actuators.-1987.-V.12.-P. 449-453.

45. Gomes M., Oliveira J., Nogueira P. Quantification of CO2, SO2, NIT, and H2S with a single coated piezoelectric quartz crystal // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.68.-№ 1 -3.-P. 218-222.

46. Wang Y., Chag W., Dong Y. A multi-resolution passive saw chemical sensor // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001 ,-V.76.-№ 1-3.-P. 130-133.

47. Адсорбция водяных паров на кварце, палладии и сплаве палладия с никелем / Анисимкин В.И., Максимов С.А., Калиендо Ч., Верона Э. // Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.-1998.-№3.-С. 73-78.

48. Eisele I., Doll Т., Burgmair М. Low power gas deyection with FET sensors // Sensors and actuators, B: Chemical-2001 -V.78.-№l.-P. 19-25.

49. Литовченко В.Г., Лисовский И.П. О природе адсорбо-электрического эффекта в структурах Pd-Si3N4-Si02-Si при адсорбции молекул водорода // Поверхность: Физика, химия, механика.-1995.-№11.-С. 5-17.

50. Itoh М., Muto К., Nakagomi S. Hydrogen sensitive negative switching behavior in metal-oxide-semiconductor devices // Sensors and actuators, B: Chemi-cal.-2001.-V.72.-№2.-P. 108-114.

51. Silicon-carbide MOS capacitors with laser-ablated Pt gate as combustible gas sensors / Zhang X., Samman A., Gebremariam S., Rimai L.// Sensors and actuators, B: Chemical -2000.-V.63.-№ 1-2.-P. 91-102.

52. Chen Liang-Ju, Huntar Gary W. Comparison of interfacial and electric properties of annealed Pd/SiC and Pd/Si02/Si Schottky diode sensors // J. Vac. Sci. and Technol. A.-1997-15.-№3. Pt2.-P. 1228-1233.

53. Spetz A. Lloid, Lundstorm 1. High temperature sensors based on metal-insulator-silicon carbide devices // Phys. status solidi. A-162.-1997-№1.-P. 493-510.

54. Tobiska P., Hugon O., Gagnaire H., Trouillet A. An integrated optic hydrogen sensor based on spr on palladium // Sensors and actuators, B: Chemical-2001 .-V.74.-№ 1-3-P. 168-172.

55. Chtanov A., Gal M. Differential optical detection of hydrogen gas in the atmosphere // Sensors and actuators, B: Chemical-2001 -V.79.-№3.-P. 196199.

56. Capobianchi A., Pennesi G., Baldini F. Reversible and selective detection of NO2 by means of optical fibres // Sensors and actuators, B: Chemical-2001 .-V.74.-№l-3.-P. 12-17.

57. Cane C., Dominguez C. Environmental applications of microelectronics sensors in Spain // MSTNews.-l997.-№22.-P. 6-7.

58. Czolk R. Microsensor-based systems for chemical analysis // MSTNews-1997.-№22-P. 10-12.

59. Hong Hyund-Ki, Shin Ii. W., Yun Dong H. Electronic nose system with micro gas sensor array // Sensors and actuators. В 35-36.-1996-P. 338-341.

60. Lundstorm I. Hydrogen sensitive MOSFET-structures // Sensors and Actuators. -1981/82.-V.2.-P. 105-138.

61. Yamamoto N., Tonomura S., Matsuoka T. Hydrogen sensitivity of MOS devices // Surf. Science-1980.-V.92.-P. 401-406.

62. Уточкин Ю.А. Водородочувствительиые МДП-структуры, полученные методом лазерного напыления: Дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук.-VI., 1994.-75 с.

63. Козленков В.П., Николаев И.Н., Уточкин Ю.А. Водородный сенсор на основе МДП-структуры // Приборы и системы управления-1991.-№6.-С. 26-27.

64. Николаев H.H., Литвинов A.B., Халфин Ï.M. Автоматизированные газоанализаторы водорода в диапазоне объёмных концентраций 10"6- 1%. Измерительная техника, 2004, №7, С.54.

65. Николаев И.Н., Емелин Е.В. Портативный газоанализатор N02 в диапазоне концентраций 0,02 2 ррт на основе МДП-сенсора. Измерительная техника, 2004, №11, С.54.

66. Никифорова М.Ю. Уточненная физико-химическая модель работы МДП-транзисторного водородочувствительного элемента // Научная сессия МИФИ-2003 : Тез. докл.-М., 2003-Т. 1-С. 131-132.

67. Fomenko S., Gumenjuk S., Podlepetsky В., Chuvashov V., Safronkin G. / The influence of technological factors on the hydrogen sensitivity of MOSFET sensors // Sensors and actuators B. -1992-№10.-P. 7-10.

68. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю., Гуменюк C.B. Исследование стабильности характеристик интегральных сенсоров водорода // Приборы и техника эксперимента-2001 -№2.-С. 136-138.

69. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю. Методика исследований метрологических и эксплуатационных характеристик интегральных датчиков водорода // Датчик-2002: Тез. докл. XIV науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов Судак, 2002.-С. 184-185.

70. Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И., Гуменюк C.B. Исследование влияния электрического режима и температуры чипа на параметры отклика интегральных сенсоров водорода // Научная сессия МИФИ-2001 : Тез. докл.- М., 2001r.-T.L-C. 106-107.

71. Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И., Гуменюк C.B., Коваленко A.B. Исследование эксплуатационных характеристик интегральных сенсоров водорода // Датчик-2000: Тез. докл. XII научно-технической конференции

72. Датчики и преобразователи, информационные системы измерения, контроля и управления».-Гурзуф, 2000.-Т.1.-С. 82-83.

73. Подлепецкий Б.И,, Никифорова М.Ю., Гуменюк C.B. Влияние светового излучения на параметры отклика интегральных сенсоров водорода // Известия ВУЗов. Электроника.-2002.-№ 6.-С. 44-47.

74. Исаева И.Ю., Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И. Исследование влияния ультрафиолетового излучения на параметры отклика МДП-транзисторного чувствительного элемента // Научная сессия МИФИ-2002: Тез. докл.- М, 2002.-T. 1.-С. 82-83.

75. Коваленко A.B., Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И. Влияние электрических режимов работы МДП-транзисторного сенсорного элемента на характеристики интегрального датчика водорода //Научная сессия МИФИ -2008: Тез. докл.-М., 2008.-Т. 8. С. 123-124.

76. Никифорова M.10., Подлепецкий Б.И., Коваленко A.B., Бабамуратов A.A., Полунин A.B. Исследование рабочих характеристик термосенсорного элемента интегрального датчика водорода // Научная сессия МИФИ -2008: Тез. докл.-М., 2008.-Т. 8. С. 125-126.

77. Коваленко A.B., Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И. Характеристики и схемы включения МДП-транзисторных чувствительных элементов. // Датчики и системы. 2008. №8, с. 10-14.