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