Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620

распространение в современной технике.

Управление точечно-матричным устройством отображения организовано при

помощи вертикальных и горизонтальных электродов, на пересечении которых

расположены отдельные элементы отображения информации-точки. При подаче

напряжения на один из горизонтальный электродов (строку изображения) на

вертикальных электродах должны быть выставлены уровни напряжения,

соответствующие активности элементов изображения в данной строке. При

снятии напряжения со строки эти уровни должны быть сняты и вновь выставлены

при активизации следующей строки. После того, как поочередно будут

активированы все строки изображения цикл отображения должен быть повторен.

При достаточно большой частоте активации строк человеческий глаз

воспринимает изображение как неподвижное.

Для обслуживания устройства отображения необходимы существенные затраты

ресурсов прибора, либо выделение отдельного блока, предназначенного для

управления отображением информацией.

В приборе в качестве устройства отображения применяется стандартный ЖК

модуль со встроенными схемами управления LM44780. Благодаря удобству

интерфейса модуль удалось включить непосредственно в шину данных-адреса,

что позволило избежать дополнительной загрузки портов микроконтроллера.

Краткое описание и основные характеристики устройства отображения

информации приведены в приложении 9.

Описание прибора

Описание сенсора RS286-620

Сенсор RS 286-620 производства RS-Components представляет собой

тонкопленочный полупроводниковый датчик для определения загрязненности

воздуха. Датчик состоит из нагревателя и тонкопленочного чувствительного

элемента. Частицы примесей, содержащиеся в окружающем датчик воздухе,

адсорбируются на поверхности чувствительного элемента. Чувствительный

элемент, состоящий из полупроводника, при адсорбции на его поверхности

примесей приобретает дополнительные донорные или акцепторные уровни в

запрещенной зоне. При подаче напряжения на нагреватель датчика температура

полупроводника и кинетическая энергия электронов в нем возрастает. При

достижении температурой определенного критического значения доля

электронов, способных преодолеть запрещенную зону между верхним краем

валентной зоны и энергетическим уровнем примеси-акцептора (либо между

донорным уровнем примеси и нижним краем зоны проводимости) становиться

достаточной для обеспечения заметного тока через чувствительный элемент.

При длительном прогреве датчика молекулы примеси испаряются с поверхности

чувствительного элемента (происходит самовосстановление датчика).

Фирмой-изготовителем предлагается определять степень загрязненности

воздуха, измеряя проводимость датчика при постоянном значении температуры

чувствительного элемента. Тогда может быть установлено соответствие между

загрязненностью воздуха и проводимостью датчика.

Различные вещества-загрязнители создают примесные уровни в на различном

удалении от границы зоны проводимости. Для забрасывания электронов на эти

уровни необходимо по-разному нагреть полупроводник. Кроме того, каждое

вещество характеризуется определенной зависимостью адсорбции от температуры

поверхности.

Поэтому при фиксированной температуре датчика по величине тока через

чувствительный элемент, загрязненный тем или иным веществом, можно пытаться

судить о том, какое именно вещество адсорбировано на поверхности датчика.

Изменяя температуру датчика в некотором интервале, можно попытаться

определить химический состав газовой смеси, окружающей датчик. При более

низких температурах проводимость датчика будет обусловлена, в основном,

примесями, с уровнями, расположенными ближе к границе запрещенной зоны. С

ростом температуры свой вклад в суммарную проводимость примесей, уровни

которых более удалены от границы зоны проводимости возрастает.

В процессе работы над прибором проводилось изучение характеристик

газового датчика RS 286-620. Датчик имеет следующие характеристики:

Максимальное напряжение на нагревателе 5 В

Максимальное напряжение на сенсоре 5 В

Максимальная рассеиваемая нагревателем мощность

0,8 Вт

Максимальная температура нагревателя

300 оС

Сопротивление нагревателя при Т=20 оС

29,5 Ом

Сопротивление нагревателя при Т=300 оС

31,0 Ом

Время прогрева датчика от Т=20 оС до Т=300 оС

60 сек

Подробные характеристики, схема датчика, и зависимости характеристик

нагревателя от температуры приведены в Приложении 7.

Физические основы работы прибора.

В изолированном атоме энергетический спектр электронов дискретный.

Заполнение энергетических уровней осуществляется по определенным правилам.

При этом в s-состоянии может находиться 2 электрона в p-6, в d-10, f-14 и g-

18 электронов. При образовании кристалла в результате химического

взаимодействия валентные электроны соседних атомов обобществляются, и

дискретные уровни расщепляются в энергетические зоны, которые могут быть

заполненными или свободными, в зависимости от заполнения соответствующих

атомных уровней.

В кристаллах полупроводников можно выделить 3 энергетических зоны:

Валентную зону, полностью заполненную электронами. Запрещенную зону – зону,

в которой нет энергетических уровней (в чистом полупроводнике ). Электроны

находиться в этой зоне не могут. Зону проводимости, свободную от носителей

заряда.

Если электрон из валентной зоны возбуждается в зону проводимости, то в

валентной зоне остается его вакансия (дырка), при перемещении которой по

кристаллу переносится положительный заряд. Таким образом заряд в кристалле

может переноситься электронами, находящимися в зоне проводимости и дырками,

находящимися в валентной зоне. В идеальном кристалле, в котором отсутствуют

дефекты и посторонние примеси (такой полупроводник называется собственным),

количество свободных электронов, электронов в зоне проводимости, (n) равно

количеству дырок(p), равно некоторой характеристической величине, которая

называется собственной концентрацией (ni): n=p=ni.

Чем уже запрещенная зона, тем больше в полупроводнике термически

возбужденных свободных носителей заряда. Концентрации свободных электронов

и дырок в собственном полупроводнике зависят от температуры по

экспоненциальному закону.

n=Nc exp(-(Ec-F)/kT)

p=Nv exp(-(F-Ev)/kT)

np= Nv Nc exp(-(Ec-F)/kT) exp(-(F-Ev)/kT)= Nv Nc exp(-(Eg)/kT)=ni2

Nc =2(2?mn kT/h2) 3/2 Эффективная плотность состояний в зоне

проводимости .

Nv =2(2?mp kT/h2) 3/2 Эффективная плотность состояний в

валентной зоне .

Где F-энергия уровня Ферми, mn mp эффективные массы электрона и дырки

соответственно.

Положение уровня Ферми находят из условия электронейтральности для

собственного полупроводника т.е.: n=p. Откуда: F=1/2(Ec+Ev)+kT/2ln(mp/mn),

т.е. при низких температурах уровень Ферми лежит около середины запрещенной

зоны и с повышением температуры постепенно смещается к зоне проводимости.

Наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в

запрещенной зоне энергетических уровней, положение которых зависит от типа

примеси или дефекта. Так, например, примесные атомы B (3 группа

периодической таблицы элементов) в кристалле Si принимают электроны из

валентной зоны, что ведет к образованию дырок и возникновению дырочной

проводимости (легированный акцепторной примесью материал приобретает

проводимость "Р" типа). Атомы P (5 группа) в кристалле Si отдают электроны

в зону проводимости, что приводит к возникновению электронной проводимости

(легированный донорной примесью материал приобретает проводимость "N"

типа).

При ионизации акцепторного атома, он захватывает электрон и заряжается

отрицательно, при этом в валентной зоне кристалла появляется свободная

дырка. При низких температурах большая часть акцепторной примеси не

ионизована и уровень Ферми расположен между потолком валентной зоны и

акцепторным уровнем. При повышении температуры число электронов,

переходящих из валентной зоны на акцепторный уровень возрастает,

соответственно возрастает и концентрация дырок(область 1 на правой верхней

диаграмме). При этом уровень Ферми приближается к акцепторному уровню

(левая диаграмма). При некоторой температуре вся примесь оказывается

ионизованной и концентрация дырок (возникших за счет акцепторов), перестает

изменяться (область 2 на диаграмме). Это область истощения акцепторной

примеси (уровень Ферми в этой области выше акцепторного уровня). При

дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда концентрация

носителей заряда, возникающих при возбуждении электронов из валентной зоны

в зону проводимости становится больше концентрации акцепторной примеси и

зависимость концентрации дырок от температуры принимает такой же вид, что и

в собственном полупроводнике (участок 3), при этом уровень Ферми находится

вблизи середины запрещенной зоны.

При ионизации донорного атома, он отдает электрон в зону проводимости и

заряжается положительно. При низких температурах большая часть донорной

примеси не ионизована и уровень Ферми расположен между дном зоны

проводимости и донорным уровнем. При повышении температуры число

электронов, переходящих с донорного уровня в зону проводимости возрастает,

соответственно возрастает и концентрация свободных электронов (область 1 на

правой верхней диаграмме). При этом уровень Ферми приближается к донорному

уровню (левая диаграмма). При некоторой температуре вся примесь оказывается

ионизованной и концентрация электронов (возникших за счет ионизации

доноров), перестает изменяться (область 2 на диаграмме). Это область

истощения донорной примеси (уровень Ферми в этой области ниже донорного

уровня). При дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда

концентрация электронов, возникающих при их возбуждении из валентной зоны в

зону проводимости становится больше концентрации донорной примеси и

зависимость концентрации электронов от температуры принимает такой же вид,

что и в собственном полупроводнике (участок 3), при этом уровень Ферми

находится вблизи середины запрещенной зоны.

Газовые датчики представляют из себя тонкую ( около 80-100 микрон )

полупроводниковую пленку, размещенную на поверхности нагревательного

элемента. В отсутствии внешнего загрязнителя проводимость сенсора мала и

обусловлена движением только электронов, переброшенных из валентной зоны в

зону проводимости (собственная проводимость кристалла ). При адсорбции на

поверхности пленки молекул примеси в запрещенной зоне полупроводника

образуются дополнительные примесные уровни. Очевидно, что плотность

состояний на таком уровне будет прямо пропорциональна количеству примеси,

осевшей на поверхности полупроводниковой пленки. Примесная проводимость

полупроводника пропорциональна количеству носителей заряда, освободившихся

при ионизации примеси. Поэтому примесная проводимость полупроводника

пропорциональна количеству осевших на его поверхности атомов примеси.

Принцип действия измерителей загрязненности воздуха на полупроводниковых

детекторах основан на измерении примесной проводимости датчика.

Количество электронов, выброшенных в зону проводимости с уровня

донорной примеси описывается соотношением

nd=Nd * (1+exp(-(Ed-F)/kT)) –1 (1)

Количество электронов, захваченных акцепторной примесью из валентной

зоны описывается соотношением

na=Na * (1+exp(-(F-Ea)/kT)) –1 (2)

В этих формулах Na и Nd Эффективные плотности состояний атомов донорной

и акцепторной примесей, а Ed и Ed их энергетические уровни.

Из формул (1) и (2) видно, что доля ионизированных атомов примеси

зависит не только от температуры, но и от положения энергетического уровня

примеси в запрещенной зоне. При фиксированной температуре ионизация примеси

будет тем меньше, чем ближе ее энергетический уровень к центру заперщенной

зоны.

Далее рассматривается задача с малыми концентрациями примесей. В

качестве условия малости концентрации выдвигается условие, что эффективные

плотности состояний каждой из примесей много меньше эффективных плотностей

состояний в валентной зоне и зоне проводимости. Далее рассматриваем задачу

с малыми концентрациями примесей. Количество носителей заряда в зоне

проводимости полупроводника определяется как сумма носителей заряда,

ионизированных с каждого из донорных уровней в отдельности. Таким образом

nd=?Ndi * (1+exp(-(Edi-F)/kT)) –1

( 3)

Далее концентрации «дырок» в валентной зоне. Можно записать

аналогичное соотношение.

na=?Nai * (1+exp(-(F-Eai)/kT)) –1

( 4)

При записи выражений (3) и (4) не учтено влияние переброса носителей

заряда из валентной зоны в зону проводимости. Однако можно показать, что

этот вклад много меньше вклада от примесей.

Используя определение проводимости вещества j=?? , будем иметь

выражение, связывающее проводимость полупроводника с концентрациями

носителей заряда в нем.

?’e nd ?d +e na ?a

( 5)

Подставляя в (5) выражения для nd и na получаем выражение для ?

?’e ( ?d ?Ndi * (1+exp(-(Edi-F)/kT)) –1+ ?a ?Nai * (1+exp(-(F-

Eai)/kT)) –1)

?’ (? e ?d Ndi * (1+exp(-(Edi-F)/kT)) –1+ ? e ?a Nai * (1+exp(-(F-

Eai)/kT)) –1)

Обозначая

?di ’e ?d Ndi * (1+exp(-(Edi-F)/kT)) –1

?ai ’e ?a Nai * (1+exp(-(F-Eai)/kT)) –1

Преобразуем выражение для ? к виду

?’ ??di + ??ai (

6)

В последнем выражении величины ?di и ?ai являются проводимостями,

обусловленными ионизацией i-ой донорной или акцепторной примеси (далее эти

величины называются парциальными проводимостями ). Таким образом суммарная

проводимость полупроводника рассчитывается как сумма парциальных

проводимостей от каждой из примесей.

Зависимость количества адсорбированных молекул от температуры.

Ударяясь о поверхность твердого тела молекулы газа адсорбируются. Время

адсорбции или пребывания молекул в адсорбированном состоянии зависит от

теплоты адсорбции и описывается уравнением Френкеля

?a’?0 exp(Qa/RT) (7)

Где ?0 -минимальное время пребывания молекулы в адсорбированном

состоянии. По порядку величины ?0 соответствует значению 10-13 с. Qa

–теплота адсорбции, рассчитанная на моль газа.

Основные составляющие воздуха имеют теплоты адсорбции на различных

поверхностях в пределах от 10 до 20 кДж/кмоль. Время их адсорбции при

комнатной температуре составляет порядка 10-10 с

Для нахождения зависимости количества адсорбированных молекул от

температуры воспользуемся условием постоянства степени покрытия (отношения

площади адсорбированных молекул к площади поверхности адсорбирующего тела).

(8)

Условие адсорбционного равновесия на поверхности заключается в равенстве

скоростей испарения и конденсации молекул. Величина aм количество молекул,

необходимое для образования монослоя на поверхности твердого тела.

(9)

Где ? степень покрытия поверхности. Из последнего уравнения следует.

?’?/? (10)

Величина ? определяется как скорость испарения газа с поверхности,

покрытой мономолекулярным слоем.

?’ aм/?a

(11)

Значение ? определяется как количество ударившихся о поверхность

молекул, помноженное на вероятность поглощения молекулы газа на поверхности

(12)

Подставляя (12) и (11) в (10) и учитывая выражение для ?a имеем

(13)

Подставляя в (13) выражение для n = P / (kT) получаем окончательное

выражение

(14)

Для определения количества примесных носителей заряда в

полупроводниковой пленке, адсорбировавшей примесь необходимо подставить в

(3) и (4) выражения для количества атомов примесей, полученные из (14)

Предполагая независимость f от температуры получаем.

Nd=? S0

(15)

В последнем выражении A(P, S0) независящая от температуры и свойств

полупроводника константа. Na –постоянная Авогадро. Из последнего выражения

видно, что на количество электронов в зоне проводимости оказывают влияние

два конкурирующих процесса – выброс электронов в зону проводимости,

увеличивающийся с ростом температуры, и уменьшение количества примесных

уровней с ростом температуры. В приложении приведены графики зависимости

(15) как функции температуры для различных значений параметра (Ed-F).

Принципы обработки сигналов сенсора

Гипотеза линейной аддитивности сигналов.

Очевидно, что чем больше концентрация молекул в окружающем газе, тем

больше число молекул, абсорбированных на поверхности тонкопленочного

чувствительного элемента сенсора, и тем больше изменение его

электропроводности. Ясно также, что при представляющих интерес

концентрациях примесей, степень покрытия поверхности сенсора много меньше

единицы. В этих предположениях изменение ? электропроводности

(чувствительного элемента сенсора при появлении в окружающем сенсор газе

примесей с концентрацией C ) можно считать связанными линейно и аддитивно,

т.е. полагать, что

? Ci?i = ?

(16)

где суммирование идет по видам примесей, ?i - соответствующие коэффициенты

пропорциональности. Коэффициенты ?i зависят от температуры, это

обуславливает суммарную зависимость от температуры электропроводности

чувствительного элемента сенсора.

Соотношение (16) выражает содержание гипотезы линейной аддитивности

результирующей термограммы: предполагается, что наблюдаемая зависимость

?(Т) есть сумма "парциальных" проводимостей, каждая из которых отражает

вклад отдельной примеси в окружающем газе в суммарную электропроводность

чувствительного элемента сенсора.

В рамках этой гипотезы задача определения "парциальной концентрации"

примесей сводится к решению обратной задачи - подбору таких значений Ci ,

которые при известных температурных зависимостях коэффициентов ?i(Т)

наилучшим образом описывают наблюдаемую термограмму ?(Т).

Наиболее простой путь решения этой задачи - рассматривать соотношение

(16) при нескольких температурах как систему линейных уравнений для

неизвестных Ci , если число точек по температуре выбрать равным числу

неизвестных концентраций, то система легко решается. Недостаток этого

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5