Датчик газового анализа и система газового анализа с его использованием

Датчик газового анализа и система газового анализа с его использованием

Реферат

Изобретения относятся к конструкции полупроводниковых систем газового анализа (СГА) для определения качественного и количественного состава смесей газов. Наиболее эффективно их использовать при микроэлектронном исполнении основных элементов конструкции.

СГА может быть выполнена на основе датчиков газового анализа (ГА), измеряющих физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или ее отдельных компонентов.

Известны датчики, основанные на физических методах анализа. Конструкции датчиков ГА различаются, в основном, используемыми газочувствительными материалами, среди которых известны SnO₂, ZnO, Lа₂O₃, Аl₂O₃, SiO₂, MgO, CaO, Sb₂O₃ (патент RU №2291417, МПК G01N 27/12, опубл. 10.01.2007; патент RU №2291416, МПК G01N 27/12, опубл. 10.01.2007; патент RU №2011985, МПК G01N 27/12, опубл. 30.04.1994; патент CN №101329293, МПК G01N 27/12; G01N 27/00; G01N 33/98, опубл. 24.12.2008; патент JP №9033470, МПК G01N 27/12, опубл. 07.02.1997). Такие датчики не предполагают в своей конструкции изменение чувствительности.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция датчика ГА с чувствительным элементом, выполненным в виде газочувствительной полупроводниковой пленки. Датчик содержит подложку и газочувствительную полупроводниковую пленку, расположенную на подложке с возможностью контакта полупроводниковой пленки с газовой атмосферой, и электроды для подключения участков полупроводниковой пленки к внешней электрической цепи, причем полупроводниковая пленка выполнена из диоксида олова (патент RU №2291416, МПК G01N 27/12, опубл. 10.01.2007).

В таком датчике значение чувствительности устанавливается в процессе его изготовления и является неизменным в процессе его эксплуатации.

Технической задачей разработки датчика ГА является изменение значения чувствительности датчика в процессе его эксплуатации.

Решение технической задачи заключается в том, что в конструкцию датчика газового анализа, включающего подложку, полупроводниковую пленку, имеющую возможность контакта с газовой атмосферой, на поверхности которой расположены первый и второй электроды, на поверхности подложки расположен третий электрод, с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на котором расположена сегнетоэлектрическая пленка, одной поверхностью контактирующая с третьим электродом, а второй - с полупроводниковой пленкой.

Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в следующем. Встроенный потенциальный барьер на границе раздела полупроводник - поляризованный сегнетоэлектрик приводит к возможности варьирования величиной концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника путем изменения величины остаточной поляризации сегнетоэлектрика, что приводит к возможности изменения чувствительности датчика. При взаимодействии молекул анализируемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки происходит замещение молекул кислорода на молекулы анализируемого газа, что приводит к освобождению носителей заряда в полупроводнике, понижающее электрическое сопротивление полупроводникового слоя. Это позволяет судить о значении концентрации анализируемого газа в атмосфере.

Датчик может быть изготовлен путем последовательного нанесения на подложку пленок металла (электрод), сегнетоэлектрика и полупроводника с дальнейшим формированием металлических электродов на участках полупроводниковой пленки в вакууме с помощью магнетронной установки. При этом наносят пленку сегнетоэлектрика с последующей его поляризацией, поверхностный заряд которой обеспечивает обеднение носителями заряда приповерхностной области слоя полупроводника. Например, пленки сегнетоэлектрика цирконата-титаната свинца наносят методом ВЧ-магнетронного распыления керамической мишени РbZr_xTi_1-xO₃ при 120°C с последующим отжигом в кислородсодержащей атмосфере при 500°C. Поляризация пленки сегнетоэлектрика производится последующим приложением к нему электрического поля. Пленка полупроводника, например, может быть получена методом катодного распыления оловянной мишени в кислородсодержащей среде при 120°С.

Для выполнения нового измерения требуется первичное задание чувствительности датчика. Этим процессом управляет СГА.

Специфика используемого датчика обуславливает включение в синтезируемую для работы с ним СГА следующих элементов конструкции: источника питания цепи обнуления датчика, коммутатора для выбора режимов измерения и обнуления, блока обработки информации и контроллера.

Аналогом такой системы является система управления дозиметрическим датчиком (патент RU №2189667, МПК H01L 31/09, G01T 1/24, опубл. 20.09.2002), содержащая коммутатор, блок обработки информации и дозиметрический датчик оптического излучения, включающий подложку и размещенные на подложке оптический фильтр и фоточувствительный элемент, выполненный в виде фоторезистора на основе полупроводниковой пленки, участки которой подключены с помощью электродов к блоку обработки информации через коммутатор с возможностью измерения сопротивления полупроводниковой пленки, причем блок информации снабжен схемой термостабилизации фоторезистора.

Однако данная схема не позволяет осуществлять измерения газового состава, так как ее чувствительный элемент воспринимает лишь интенсивность падающего оптического излучения.

В качестве прототипа заявляемой СГА принята система, представленная в том же источнике информации, что и для датчика (патент RU №2291416, МПК G01N 27/12, опубл. 10.01.2007).

Прототипная СГА содержит датчик ГА, включающий подложку и газочувствительную полупроводниковую пленку, расположенную на подложке с возможностью контакта полупроводниковой пленки с газовой атмосферой, и электроды для подключения участков полупроводниковой пленки к внешней электрической цепи, включающей блок обработки информации, присоединенный к электродам пленки для регистрации изменения сопротивления газочувствительного элемента датчика.

Использование прототипной СГА позволяет проводить газовый анализ только при фиксированном значении чувствительности.

Технической задачей является возможность изменения чувствительности СГА.

Решение указанной задачи заключается в том, что в СГА, содержащей датчик газового анализа и блок обработки информации, датчик газового анализа включает подложку, три электрода, полупроводниковую пленку, имеющую возможность контакта с газовой атмосферой, на поверхности которой расположены первый и второй электроды, при этом третий электрод расположен на подложке с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на нем расположена сегнетоэлектрическая пленка, одной поверхностью контактирующая с третьим электродом, а второй - с полупроводниковой пленкой, в систему газового анализа дополнительно введены управляемый источник напряжения, коммутатор и контроллер, при этом третий электрод присоединен к первому выходу управляемого источника напряжения, ко второму выходу которого подсоединен первый вход коммутатора, ко второму и третьему входам которого подсоединены первый и второй электроды соответственно, первый и второй входы коммутатора соединены соответственно с первым и вторым выходами блока обработки информации, вход которого соединен с третьим выходом контроллера, первый выход которого соединен с третьим входом коммутатора, а второй выход контроллера соединен с входом управляемого источника напряжения.

В заявляемые датчик ГА и СГА с его использованием внесены следующие изменения:

- газочувствительная полупроводниковая пленка заменена на газочувствительную сэндвич-структуру полупроводниковой и сегнетоэлектрической пленок:

- сегнетоэлектрическая пленка имеет электроды для подключения к внешней цепи;

- во внешней электрической цепи дополнительно установлен коммутатор;

- участки полупроводниковой пленки подключены к блоку обработки информации через коммутатор;

- в качестве управляемого источника напряжения использован управляемый источник переменного напряжения;

- второй выход источника управляемого источника напряжения подключен через коммутатор к электродам полупроводниковой пленки с образованием цепи обнуления датчика.

Внесенные изменения обеспечивают возможность функционирования СГА с использованием предлагаемого датчика. Ее коммутирующие элементы предусматривают работу в двух режимах: 1) режим измерения концентрации газа с заданной чувствительностью; 2) режим обнуления результатов для задания нового значения чувствительности. В этой связи неочевидным представляется выполнение управляемого источника электрического питания в виде источника переменного напряжения и использование его в цепи обнуления датчика. Переменное напряжение, подводимое от управляемого источника напряжения необходимо для освобождения носителей заряда, пропорциональных значению концентрации газа, захваченных в полупроводнике вблизи границы раздела сегнетоэлектрик - полупроводник, что, как экспериментально установлено авторами, возможно только под действием переменного напряжения. Теоретическое обоснование этого явления заключается в том, что при переполяризации сегнетоэлектрика под действием разнополярных импульсов напряжения происходит изменение знака поверхностного заряда сегнетоэлектрика, что имеет следствием перевод пленки полупроводника в обогащенное состояние с возможностью последующей рекомбинации накопленных неравновесных носителей заряда.

Для автоматизации переключений режимов измерения и обнуления внешняя электрическая цепь дополнительно содержит контроллер, выходы которого подключены к управляющим входам блока обработки информации, коммутатора и управляемого источника напряжения соответственно.

В предлагаемой СГА в качестве коммутатора при ручном управлении может использоваться ключ управления, а при автоматическом управлении режимами переключения - соответствующая микросхема, контроллер. Контроллер может быть выполнен на базе соответствующей микросхемы, таймера, ступенчатого импульсного прерывателя и т.п.

На чертеже приведена схема СГА с предлагаемым датчиком ГА.

Датчик ГА содержит подложку 1, газочувствительную сэндвич-структуру, включающую полупроводниковую пленку 2 и сегнетоэлектрическую пленку 3, расположенные на подложке 1 с возможностью контакта полупроводниковой пленки 2 с газовой атмосферой, и электроды 4, 5 и 6, присоединенные к сегнетоэлектрической пленке 3 и участкам полупроводниковой пленки 2 соответственно для подключения датчика к внешней электрической цепи.

Система газового анализа, содержащая датчик газового анализа, включающий подложку 1, три электрода 4, 5, 6, полупроводниковую пленку 2, имеющую возможность контакта с газовой атмосферой, на поверхности которой расположены первый и второй электроды 5 и 6, при этом третий электрод 4 расположен на подложке 1 с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на нем расположена сегнетоэлектрическая пленка 3, одной поверхностью контактирующая с третьим электродом 4, а второй - с полупроводниковой пленкой 2, при этом третий электрод 4 присоединен к первому выходу управляемого источника напряжения 9, ко второму выходу которого подсоединен первый выход коммутатора 8, ко второму и третьему входам которого подсоединен первый 5 и второй 6 электроды соответственно, первый и второй входы коммутатора 8 соединены соответственно с первым и вторым выходами блока обработки информации 7, вход которого соединен с третьим выходом контроллера 10, первый выход которого соединен с третьим входом коммутатора 8, а второй выход контроллера 10 соединен с входом управляемого источника напряжения 9.

СГА работает следующим образом.

В режиме обнуления датчика электроды 5 и 6 замкнуты с помощью коммутатора 8. При этом управляемый источник напряжения 9 оказывается включенным в цепь подачи переменного напряжения к пленкам полупроводника и сегнетоэлектрика, что вызывает освобождение носителей зарядов, захваченных в полупроводнике вблизи границы раздела сегнетоэлектрик - полупроводник. После обнуления датчика управляемый источник напряжения 9 подает импульс напряжения на пленки полупроводника и сегнетоэлектрики, соответствующий значению чувствительности датчика.

В режиме измерения под воздействием анализируемого газа на пленку 2 полупроводника в нем происходит освобождение носителей заряда, повышающих электропроводность полупроводникового слоя. Это позволяет судить о величине концентрации анализируемого газа по значению сопротивления между электродами 5 и 6 полупроводниковой пленки 2 с помощью блока 7 обработки информации.

В режимах обнуления и измерения контроллер 10, выходы которого подключены к управляющим входам блока 7 обработки информации, коммутатора 8 и источника 9 питания соответственно, выдает команды, соответствующие режиму работы СГА.

Таким образом, разработанные датчик ГА и СГА с его использованием позволяют реализовать возможность изменения чувствительности СГА для использования в различных областях техники.

1. Датчик газового анализа, включающий подложку, полупроводниковую пленку, имеющую возможность контакта с газовой атмосферой, на поверхности которой расположены первый и второй электроды, отличающийся тем, что на поверхности подложки расположен третий электрод с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на котором расположена сегнетоэлектрическая пленка, одной поверхностью контактирующая с третьим электродом, а второй - с полупроводниковой пленкой.

2. Система газового анализа, содержащая датчик газового анализа и блок обработки информации, отличающаяся тем, что датчик газового анализа включает подложку, три электрода, полупроводниковую пленку, имеющую возможность контакта с газовой атмосферой, на поверхности которой расположены первый и второй электроды, при этом третий электрод расположен на подложке с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на нем расположена сегнетоэлектрическая пленка, одной поверхностью контактирующая с третьим электродом, а второй - с полупроводниковой пленкой, в систему газового анализа дополнительно введены управляемый источник напряжения, коммутатор и контроллер, при этом третий электрод присоединен к первому выходу управляемого источника напряжения, ко второму выходу которого подсоединен первый вход коммутатора, ко второму и третьему входам которого подсоединены первый и второй электроды соответственно, первый и второй входы коммутатора соединены соответственно с первым и вторым выходами блока обработки информации, вход которого соединен с третьим выходом контроллера, первый выход которого соединен с третьим входом коммутатора, а второй выход контроллера соединен с входом управляемого источника напряжения.