Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов

Коваленко, Андрей Викторович

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов

кандидата технических наук: Коваленко, Андрей Викторович
город: Москва
год: 2008
специальность ВАК РФ: 05.13.05

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов»

Автореферат диссертации по теме "Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов"

На правах рукописи

КОВАЛЕНКО Андрей Викторович

ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

3 0 с:

/„..„И

Москва-2008 г.

003450562

Работа выполнена на кафедре микро- и наноэлектроники Московского инженерно-физического института (Государственного Университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент Подлепецкий Борис Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н.Э.Баумана Школьников Владимир Михайлович,

кандидат физико- математических наук, начальник лаборатории ФГУП НИИП Таперо Константин Иванович

Ведущая организация: Институт стратегической стабильности Госкорпорации Росатом. или Институт прикладной химической физики в составе РНЦ "Курчатовский институт"

Защита состоится 24 ноября 2008 г. в час. на заседании диссертационного совета Д.212.130.02 при Московском Инженерно-физическом Институте (Государственном Университете) по адресу:! 15409, Москва, Каширское шоссе, д.31.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Московского Инженерно-физического Института (Государственного Университета). 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31.

Автореферат разослан « 2.4 » октября 2008 г.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенный подписью и печатью организации) просим отправлять по адресу: Ученый совет МИФИ (ГУ) 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.130.02

д.т.н., профессор

Скоробогатов П.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность. В состав современных систем управления входят измерительные каналы, элементами которых являются датчики физических величин. Характерной тенденцией совершенствования систем управления является применение в них электронных блоков на основе интегральных микросхем, в том числе интегральных датчиков (ИД), содержащих несколько электронных элементов. В системах управления климатическим и экологическим состояниями окружающей среды производственных и бытовых зон, в системах обеспечения взрыво- и пожаробезопасности объектов используются датчики концентраций различных газов. Одной из проблем в области разработки газоаналитических средств измерения и контроля является проблема создания малогабаритных приборов и систем для определения концентраций газов в реальном масштабе времени. Для решения этой проблемы перспективным представляется разработка приборов и систем с микроэлектронными датчиками (электронными датчиками на основе микро- и нанотехнологий). Миниатюрность, механическая прочность, прецизионность, надёжность и низкая стоимость являются отличительными особенностями микроэлектронных датчиков (МЭД).

Весьма актуальной является задача создания средств контроля концентраций водорода и водородсодержащих газов в среде, поскольку даже при малых концентрациях водорода может возникнуть взрывоопасная и пожароопасная ситуация на электростанциях и в шахтах, в производственных зонах предприятий по созданию ядерного топлива, аккумуляторных хранилищах и в реактивных двигателях на водородном топливе. Исследования различных типов водородочувствительных элементов МЭД показали, что по своим метрологическим характеристикам перспективными представляются чувствительные элементы (ЧЭ) на основе МДП-структур, особенно элементы на основе МДП-транзистора с палладиевым затвором. Важным качеством такого транзистора является его технологическая совместимость

с элементами интегральных микросхем. Кроме газочувствительных ЧЭ, на основе полевых структур электрод-диэлектрик-полупроводник (как многофункционального структурного элемента) созданы чувствительные элементы дозы ионизирующего излучения, концентраций атомов и ионов в растворах, а также ЧЭ биосенсоров, передаточные характеристики которых имеют общие закономерности, но детально мало изучены.

На кафедре микро- и наноэлектроники МИФИ разработаны интегральные датчики концентрации водорода, основными чувствительными элементами в которых являются резисторы, МДП-конденсаторы или МДП-транзисторы с различными затворами. Предварительные исследования этих ЧЭ показали, что наибольшую чувствительность к водороду имеют МДП-транзисторы со структурой РсМа205-8Ю2-Я1 (ТЧЭ). ТЧЭ является основным элементом интегральных датчиков серии ИДВ-3. Основы физики работы и конструктивно-технологические особенности ТЧЭ подробно исследовались сотрудниками кафедры в 1995- 2000-х годах.

Эксплуатационные к метрологические характеристики при долговременной эксплуатации датчиков, а также влияние на характеристики ТЧЭ внешних факторов и электрических режимов работы к моменту начала работы над диссертацией были не изучены. Первые опыты практического применения датчиков ИДВ-3 в мобильных приборах выявили ряд недостатков. Это, во-первых, повышенная потребляемая мощность (что сокращает время их работы при одной зарядке источника питания и требует аттестации приборов на взрывобезопасность), во-вторых, при определённых условиях измерений наблюдается большая погрешность, которая изменяется во времени (что требует периодической калибровки приборов). Было сделано предположение, что такая погрешность объясняется временной и температурной нестабильностью параметров датчика и схем вторичного преобразования. Для проверки этого предположения необходимо было исследовать стабильность характеристик датчиков при долговременной их эксплуата-

ции. Важно также было провести количественные оценки вклада в погрешность различных влияющих факторов с учетом их динамических составляющих. Не было исследовано влияние водорода, температуры, электрических режимов на характеристики других элементов ИДВ-3, которые могут привести к дополнительным погрешностям. Отсутствие физико-математических моделей ТЧЭ и схем для описания их характеристик, а также недостаточность экспериментальных данных не позволяли оценить предельные возможности ТЧЭ как элемента интегральных датчиков газоаналитических приборов и микросистем. Кроме того, научный и практический интерес представляют исследования селективности ТЧЭ по отношению к другим газам и влияние внешних побочных факторов на характеристики всех элементов ИД. Схемотехнические вопросы проектирования вторичных преобразователей ИД на основе ТЧЭ с учетом их реальных характеристик подробно не изучались. Поэтому исследования метрологических и эксплуатационных характеристик интегральных датчиков водорода с МДП-транзисторными чувствительными элементами и влияния на них схем включения и режимов работы ТЧЭ представляются актуальными. 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 (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 микросистемах.

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 чувствительных эле-

ментов 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 метрологических и эксплуатационных 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-И40)°С, а максимальная чувствительность к водороду проявляется при температуре кристалла (175-^180)°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 аппаратно-программные 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 водородочувствительных 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 метрологические и эксплуатационные 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 микросистемах, предложения по их дальнейшим разработкам.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на симпозиуме «Symposium on Measurements and Control in Robotics» (1998, г. Прага, Чехия), научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» - «ДАТЧИК-2000» (Крым, Украина) и на ежегодных конференциях «Научная сессия МИФИ» (98,99,2000 и 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 78 наименований и приложений на 27 страницах. Работа изложена на 187 страницах, содержит 98 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Проведенный в главе 1 (литературный обзор) анализ публикаций по микроэлектронным газоаналитическим системам управления, их элементной базе, характеристикам газочувствительных интегральных датчиков и возможным путям их создания позволил оценить состояние разработок в этой области и сделать следующие выводы. Устройства вторичного преобразования и обработки данных одноканальных и многоканальных газоаналитических систем для датчиков с амплитудным и частотным выходами могут изготавливаться в виде ИМС. Элементная база газочувствительных МЭД разнообразна, но для создания ИД наиболее приемлемыми являются ЧЭ резистор-ного типа и ЧЭ на основе МДП структур, которые имеют хорошую совместимость с элементами ИМС. При создании газочувствительных интегральных датчиков важным этапом является выбор элементов его базовой ячейки (БЯ) - (минимального набора необходимых элементов для создания ИД): основного ЧЭ, нагревательного элемента (НЭ) и термочувствительного элемента (ТЭ). Поскольку в газочувствительных датчиках рабочая температура ЧЭ высокая, устройства вторичного преобразования и сбора данных (аналоговые

коммутаторы, усилители, АЦП и др.) конструктивно-технологически интегрировать 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 элементы БЯ в законченном конструктивно-технологическом виде. При этом функциональная структура измерительного канала соответствует последовательной цепочке преобразователей. По конструктивно-технологическим и метрологическим характеристикам наиболее перспективными для кремниевого ИД водорода представляются следующие элементы БЯ: основной ЧЭ - МДПТ (ТЧЭ), НЭ на основе диффузионного резистора и ТЭ на основе (р-п)- перехода.

Во второй главе рассмотрены физические принципы работы МДП -транзисторных чувствительных элементов, метрологические, эксплуатационные и конструктивно-технологические характеристики водородочувстви-тельных ТЧЭ разных серий ИДВ. Отмечается, что полевые транзисторы со структурой электрод-диэлектрик-полупроводник могут быть ЧЭ датчиков различных типов величин: температуры, дозы ионизирующего излучения, концентрации ионов в электролитах, концентрации газов. Принцип работы ЧЭ на основе полевых транзисторов заключается в изменении распределения зарядов в структуре электрод (затвор)-диэлектрик-полупроводник под действием внешних факторов (температуры, световых и ионизирующих излучений, концентраций ионов электролитов и молекул окружающих газов), а также рабочих электрических полей. Несмотря на различные конструктивно-технологические характеристики МДП-транзисторных ЧЭ при входном информативном параметре X и параметрах влияющих факторов Zj выходным информативным параметром для всех ЧЭ является порогового напряжения и0. Как правило, изменение порогового напряжения | Ди01 = Р(Х;г^ - нелинейная монотонно возрастающая функция от X, стремящаяся

при больших значениях X к максимального значения модуля изменения порогового напряжения | дим(^) |, которое зависит от конструктивно-технологических характеристик ЧЭ, влияющих факторов и напряжения между затвором и подложкой изп- В диссертации анализируются факторы, входящие в известные модели порогового напряжения МДПТ, для датчиков физических и химических величин. Показано, что для газочувствительных МДПТЧЭ при постоянной температуре Ди0 можно представить как

Ли<№) = Дсрип(К) - +Дд0(^) + ЛО„с(%)]/Со, (1)

где Дфмп - изменение потенциала, соответствующего разности работ выхода материалов затвора и полупроводника от концентрации газа 1М; С0 -удельная ёмкость подзатворного диэлектрика; АС>ы(>^) - изменение заряда под действием газа концентрации N с учётом влияющих факторов (Зо^) - изменение заряда в диэлектрике под действием влияющих факторов; Опс(фп) = ас'Ч^пс'(фпо - Фп) (2) - предполагается, что заряд поверхностных состояний с эффективной плотностью (ас-Мпс) изменяется линейно при изменении поверхностного потенциала фп, фп0 - модуль разности между потенциалом середины запрещённой зоны полупроводника и потенциалом уровня Ферми в глубине полупроводника.. Экспериментальные зависимости порогового напряжения ТЧЭ от концентрации водорода Ли0(Ы) < 0 и аппроксимировались как | Ди0(Н;г,) | = | Дим(г^ | ■ (1-ехр(- 1сЫ)), где параметры модели принимали значения Дим=(0,30 ...0,55)В и к = (14...23) (1/%).

Выражения (1) и (2) предложены впервые и использовались далее при оценке вклада различных факторов в погрешность измерения концентрации водорода. При сравнении расчётов выходных ВАХ ТЧЭ по упрощённой и по уточнённой моделям МДПТ установлено, что по изменениям тока стока Д]с (при Дизп = 0,5В) результаты отличаются не более, чем на 9%, что соответствует для Ди0 погрешности < 4,5%. Учитывая, что у лучших ТЧЭ из

серии ИДВ-3 погрешность для оценки ди0, связанная с разбросом характеристик, превышает 5%, при моделировании характеристик схем (в 4-ой главе диссертации) использовалась упрощённая модель МДПТ.

Даны уточнённые определения и обозначения основных метрологических и эксплуатационных характеристик ТЧЭ, исследуемых в диссертации: импульсная переходная характеристика (отклик) - Ли0 = Р(Д1Ч; г); функция преобразования (передаточная характеристика) - Аи0м = Ф^); чувствительность (крутизна функции преобразования): дифференциальная 8д0= сШ0м/<Ш, интегральная 80 = ди0м/ЛМ; порог чувствительности Ыгю; диапазон измеряемых концентраций; погрешности измерения и оценки параметров характеристик; селективность; потребляемая мощность; время подготовки.

Проведённый во второй главе анализ литературных данных по исследованиям характеристик газочувствительных МДПТЧЭ показал как метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков зависят от конструктивно-технологических характеристик ЧЭ. В частности, установлено, что тип, способ получения и толщина затворной металлической пленки влияют на селективность и чувствительность МДПТЧЭ, а тип и толщины подзатворного диэлектрика влияют ещё на быстродействие датчика.

Приведены основные характеристики МДПТЧЭ всех серий интегральных датчиков, разработанных на кафедре. Топологические особенности, геометрические и электрофизические характеристики элементов ИДВ-3 использовались как исходные данные при моделировании интегральных датчиков на основе ТЧЭ.

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 временного дрейфа порогового напряжения, температуры кристалла, электрического режима работы ТЧЭ и внешних

факторов на погрешность определения амплитуды отклика. Исследованы стабильность и воспроизводимость характеристик ИДВ-3 при их долговременной эксплуатации. Установлены зависимости параметров отклика датчика от конструктивно-технологических характеристик ТЧЭ, концентрации газа, температуры кристалла, состава газовой среды, внешних побочных факторов, схемы включения и электрического режима работы ТЧЭ. Параметры физико-математической модели откликов представлены на рис.1.

Рис. 1. Обобщённый вид откликов схем датчиков водорода на основе ТЧЭ и характерные их параметры. Временные параметры отклика: ( - время; т - время действия импульса концентрации; 10 - время начала действия импульса концентрации газа; г, - время фронта нарастания (т1 = ти + т12 + т13у, тп - время 1-ой фазы фронта нарастания, х12 - время 2-ой фазы фронта нарастания, х/3 - время 3-й фазы фронта нарастания; х2 ~ длительность «полки»; х3 - время релаксации (т3 = х3/ + х32), х3/ -время 1-ой фазы релаксации, х32 - время 2-ой фазы релаксации. К-концентрация газа. ДЫ - изменения концентрации газа. Амплитудные параметры отклика: 1) Д11м ~ I ивыхм — ивыхо | - амплитуда отклика, максимальное изменение выходного напряжения схемы датчика иВых вследствие изменения концентрации водорода на ДН где иВцхо и и выхм - начальное и максимальное значения выходного напряжения датчика; Д11м = Лип + Ли12 + Аии, где дии, Ди12, Л1]13 - амплитудные составляющие фаз фронта нарастания отклика; 2) Шм - изменение (уменьшение) амплитуды отклика; 3) Ли3 -составляющая линейной фазы спада отклика; 4) остаточное напряжение би = [ивых(Ю + т + тЗ) - ивых0] - один из параметров воспроизводимости отклика.

1. Первая фаза фронта нарастания амплитуды отклика («линейная») при г е ^ + тп]: Дивь1Х1 = (Дип /тц) '(1 , I - время от начала включения датчика, ДЫц и тп - экспериментально определяемые параметры отклика (см.рис.1). Поскольку вид отклика зависит от концентрации водорода, предлагаем экспериментально установленные критерии трех уровней концентраций: 1) малые (до 0,05%), если Дии = 0; 2) средние (0,05 - 0,2%), если 0 < Дип < 0,5Дим; 3) большие ( > 0,2%), если Дии > 0,5Д11М. Первая фаза проявляется при средних и больших концентрациях водорода и высоких температурах кристалла. Предполагается, что она связана с процессами абсорбции молекул водорода в палладии, их диссоциации на атомы, захват центрами и изменением величины работы выхода из палладия. При малых концентрациях эта фаза не проявляется и можно считать Тц = 0 и АЦц = 0. 2. Вторая фаза фронта нарастания амплитуды отклика («нелинейная») при I 6 00+ тц; 10+ т„ +т,2]: дивьк2 = ди„ + (дим- ли») • {1 -ехр[-(г-%-тп) /т10]}, где т10 = гп * (—^ — 1)- Предполагается, что вторая фаза фронта нарастания связана с диффузией атомов водорода в палладии к поверхности диэлектрика и образованием диполей на границе Рс1 - диэлектрик (поляризация границы диэлектрика на границе металл - диэлектрик). 3. Третья фаза фронта нарастания («линейная медленная») при

1е (1о+т„+х,,+тп): ДивЬ1х3 = й(/п + Л1/12 + ^^ (С - ~ Гп ™ Т12),

где = -- (1 - =

г13 4$

¿у _...........Ьг........

диВЬ1х3=Ши + ♦<? %-тГ), к _ "к•

Предполагается, что третья фаза может быть связана с процессами диффузии и дрейфом протонов внутри диэлектрика в сторону полупроводника,

временным дрейфом порогового напряжения Uoot, а также химическими реакциями на границе металла с газовой средой. В ТЧЭ эта фаза может проявляться при малых концентрациях Н2. Полное время нарастания переднего фронта Т| »тц + Зтю.

4.Четвертая фаза («полка») при t е (t0 + т,; to + т]: Дивш4 = ¿р (s_у,

или дивь„4 = AUBlIx3 (to + Ti) + AUoo(t) + AlWt), где 5UM при больших концентрациях Н2, как правило, равен нулю, а при малых и средних концентрациях определяется временным дрейфом порогового напряжения AUoo(t) и параметром AUon(0, связанным с конвекционными изменениями концентрации газа N(t) в испытательной камере. Например, при AU0N(t) = 0 параметр 5UM= AUoo(to+Ti)-AUoo(to+x).

5. Пятая фаза - «линейный» спад амплитуды отклика при te( to +т; to+t +т31]:

Пятая фаза проявляется при средних и больших концентрациях Н2 в кислородной среде. При этом с ростом концентрации кислорода величина

fffitga-^A увеличивается. В безкислородной среде и при малых концен-

V Tat *

трация Н2 эта фаза отсутствует (&U2 - AUM ~ SUM; t3i=0).

6. Шестая фаза - «нелинейный» спад амплитуды отклика при

te( t0 + т + т31; to + т3]: Дй8ьа6 = АУ3 - (АЩ - SIT) « [l - exp

Эта фаза наблюдается при всех уровнях концентрации водорода в кислородной среде. При этом с увеличением концентрации кислорода в среде параметр 5U уменьшается. При наличии временного дрейфа начального значения порогового напряжения U00(t) в течение времени tHP и отсутствии 3-ей фазы 8U = AU00(t), а при t > tAp 8U = 0. Замечено, что для ТЧЭ при больших концентрациях водорода и наличии 3-ей фазы величина остаточного напряжения 5U больше, чем в ТЧЭ, в которых 3-я фаза не наблюда-

лась. Возможно, что в этом случае протоны остаются в диэлектрике или на границе Ta205-Si02, и обратная диффузия протонов к металлу затруднена из-за положительного электрического поля U3>0. Это предположение обусловлено тем, что при уменьшении U3 « до нуля (в схеме №1) время т3 уменьшается (протоны быстрее возвращаются к затвору).

Поскольку AUBb,x = S'AU0, то в случае зависимости чувствительности схемы S от порогового напряжения S = ДД1)0), вид отклика датчика и его параметры отличаются от отклика самого ТЧЭ. При исследованиях ТЧЭ для максимального приближения к физико-химическим процессам, изменяющим зарядовые состояния в структуре МДП желательно, чтобы передаточные характеристики измерительных схем были линейными, т.е. чувствительность схемы S не зависела бы от U0. Если чувствительность схемы S=l, то Дивых= AU0. Все предварительные исследования ТЧЭ проводились в схеме с чувствительностью S=l. Установлено, что в области малых концентраций время переднего фронта xi определяется 2-ой фазой отклика, а задний фронт т3 - 6-ой фазой, а 4-ая фаза («полка») при t < tap повторяет дрейф начального значения порогового напряжения U0o(t). При малых концентрациях водорода (до 0,05 об. %) отклики ТЧЭ можно аппроксимировать следующими выражениями:|Ди0| = |AU0m| -(1-ехр(-1/ т10)) (фронт нарастания амплитуды отклика) , |Ди0| = |AUom|-|AUom- 5U|-(l-exp(-1/ тзо)) - спад амплитуды отклика, где хю и хзо - соответствующие постоянные времени переходных процессов. Вид такого отклика представлен на рис. 2.

Статические погрешности измерений определяются погрешностями оценки параметров отклика ТЧЭ AU0m и SU, которые при средних и больших концентрациях зависят от разброса этих величин, а при малых концентрациях ещё и от погрешности измерения напряжения. Как было установлено экспериментально, величины Ди0м и 5U зависят от концентрации водорода и от следующих влияющих факторов: состава атмосферы,

действия внешних электромагнитных полей и излучений, температурных и электрических режимов ТЧЭ.

О 10 20 30 40 50 1, с

Рис.2. Типичный характер зависимости от времени порогового напряжения ТЧЭ при ступенчатых изменениях малых концентраций водорода.

При кратковременных измерениях откликов параметры Ли0м и 511 не всегда достигают установившихся значений, что в основном связано с наличием временных дрейфов начального значения порогового Ли0о(Х) и концентрации водорода в испытательной камере Ди0к(1). В общем виде амплитуда отклика может быть представлена как

Диом - Диом (^{Лт,}) + Ди„г,(0 + Л1Ы1) ± ДУ, (3) где

{Дг^ - совокупность изменений параметров влияющих факторов Zj (температуры чипа, напряжения на затворе ТЧЭ, мощности излучений, концентрации другого газа N0, ДУ - абсолютная погрешность измерения напряжения. Поскольку второй и третий члены выражения (3) не зависят от N. они определяют одну из составляющих аддитивной погрешности при измерениях параметров отклика. Если изменения порогового напряжения ДЦо от параметра гу не зависят от N. то влияние данного параметра также является аддитивной погрешностью и тогда

где гк - параметры влияющих факторов, дающих аддитивную динамическую составляющую систематической погрешности измерения ди0, ш -количество этих факторов. Такими параметрами являются, например, концентрации других газов (гелия, аммиака, паров бензина). Три последних члена (4) вносят вклад в значение амплитуды отклика, если изменяются параметры гу , 11оо и и0м во время измерения отклика г е ; г0 + т +т3]. Если эти параметры во время измерения отклика не изменяются, то амплитуда отклика определяется только первым членом и остаётся постоянной в течение 4-ой фазы отклика («полки»). Однако начальное значение порогового напряжения и00, от которого может косвенно зависеть амплитуда отклика, определяется конструктивно-технологическими характеристиками ТЧЭ, специальными отжигами и газовыми тренировками, а также параметрами влияющих факторов гу

Временной дрейф начального значения порогового напряжения ТЧЭ является аддитивной составляющей погрешности при измерении их откликов и может вносить существенный вклад в общую погрешность измерения концентрации водорода. Поэтому исследования характера и параметров дрейфа и0о(0 является важной задачей с точки зрения учета связанной с дрейфом погрешностью, оценки возможности её снижения и компенсации при использовании ТЧЭ в приборах и системах. Для проведения таких исследований были разработана специальная методика, включающая пять алгоритмов испытаний: измерения и0о(0 при комнатной температуре; измерения и00(0 при рабочей температуре кристалла (125-130°С); измерения и0о(0 при рабочей температуре кристалла и кратковременным отключениям нагревателя; многократные измерения иоо(0 при рабочей температуре с периодическим отключением питания, а затем долговременным (на 5-7 дней) отключением всех элементов датчика, потом повторные измерения и00(0; многократные измерения откликов ТЧЭ во время дрейфа и00- Для анализа результатов выбраны следующие параметры дрейфовых характеристик

Uoo(t): Uooh и Uooy - исходное и установившаяся величина UM; Uoom - максимальная величина дрейфа; v^ - скорость дрейфа; tAp - время дрейфа. Измерения дрейфовых характеристик Uoo(t) проводились до полного установления Uoo через 20-30 мин после включения измерительного стенда.

Получено, что пороговое напряжение в отсутствии водорода изменяется во времени, при этом время переходного процесса tw ~(5-20 минут), максимальные величины временного дрейфа (Uoom) находятся в пределах (5 70) мВ и зависят от начальных значений U30 и порогового напряжения и00и, а максимальная скорость временного дрейфа наблюдается сразу после включения ТЧЭ и находится в пределах (1 40) мВ/мин. Наилучшие дрейфовые характеристики имели образцы с малыми отрицательными значениями и00ц: и00м < 5 мВ и Ц < 6 мин.

Экспериментально исследованы характеристики ТЧЭ и влияние на них температуры кристалла, электрического режима работы, световых излучений и других газов, а также влияние водорода на другие элементы ИДВ-3. Проведены долговременные испытания ТЧЭ. На основании полученных данных определены параметры моделей ТЧЭ. В частности, установлено: порог чувствительности Nno= (0,0005 ... 0,001) об %; диапазон измеряемых концентраций ANе[Nno; NMaKC ~(1,5...3)об. %]; быстродействие: ткр < (0,20... 0,5) мин и т3ср < (0,3... 1,2) мин; температурная чувствительность ST = (1...5) мВ/град; чувствительность к свету: SP = 63 мВ/Вт (При Т=130°С); чувстивительность к аммиаку: Sn = 150 мВ/%; для лучших ТЧЭ (группа А) разбросы амплитуд отклика и относительного значения остаточного напряжения ви <(0,05...0,1), максимальная величина дрейфа AUoom = -

(4-10) мВ, время дрейфа t^, = (5-7) мин. и длительность непрерывной работы (110... 120) дней.

В четвёртой главе приводятся результаты анализа характеристик типовых схем включения ТЧЭ в измерительные цепи. Для измерения измене-

ния порогового напряжения можно использовать различные схемы, включая МДП-транзистор как трёхполюсник или двухполюсник. При этом для измерения Аио используются разные методы, среди которых наибольшее распространение получили два: 1) в режиме поддержания постоянных значений тока стока 1с и напряжения сток-исток иСи; 2) в режиме поддержания постоянного напряжения на затворе 113. В данной работе предлагается и исследован дополнительно третий метод: режим изменяющегося напряжения и3 в зависимости от ди0. Для реализации этих методов рассмотрены базовые схемные конфигурации, представленные на рис.2.

СХЕМА ЛИ СХЕМА 2.1 СХЕМА 2.2

+Е

КЗ

и3,

Я4

+Е

СХЕМА 3.1 ,+Е

ЧЭ I-

ч—

СХЕМА 3.2 , +Е

КЗ

1-14

ЧЭ

■ивых С

СХЕМА 33

+Е

чэ 1

СХЕМА 4.2 +е

СХЕМА 5.1 +Е

141

ЧЭ-|

СХЕМА 5.2

+Е

«1

ЧЭ2

ЧЭ 2

-1

СХЕМА 53 +Е

СХЕМА 7.1

СХЕМА7.2

ти-

и3 -П

2 :

еых

ЧЭп

игн и

СХЕМА 8.1

+ Е

СХЕМА 8.2 ?+Е

га

Я2

ЧЭ1

Чй

Че

г?

чэ 2 ЧЭ1

1 1

ь —9 ^выХ—} т=|

—и и3 ! N— 1 ,

ЧЭ2

Исследованы следующие характеристики представленных выше схем: передаточная характеристика ивых= интегральная 8 = Дивых/Ди0 и

дифференциальная Sa = dUBblx/dU0 чувствительности, потребляемая мощность Р и диапазон преобразования AU0n схем, где AUBblx и AU0.

Получены формулы для расчёта основных характеристик схем. Схемы предполагают включение п-канального ТЧЭ в следующих режимах: 1) как трехполюсника в режиме постоянного тока стока (схема №1, UBbIX = U3); 2) в режимах постоянного напряжения на затворе (UBbK = Uc в схемах №2 и UBb.x = ии в схемах №3.1 и 3.2); 3) мостовые схемы с одним и двумя ЧЭ (схемы №4); 4) последовательное и параллельное включений нескольких ЧЭ (схемы №7) и 5) каскадное (схемы №4) и дифференциальное включение двух ЧЭ (схемы №8). Рассмотрены также схемные конфигурации с комплементарными ЧЭ (в диссертации - схемы №6) и варианты схем, в которых ТЧЭ работают в режиме изменяющегося напряжения U3 в зависимости от AU0: схема 3.3, схемы № 5.1 и 5.2 (в ЧЭ2) и схема №5.3 (в обоих ЧЭ). Исследованные схемы по количеству ТЧЭ можно классифицировать следующим образом: 1) с одним ТЧЭ («простые»); 2) с двумя ТЧЭ; 3) с несколькими ТЧЭ (п > 3). По состоянию напряжения между затвором и подложкой (фактически состояние параметра U3) можно выделить три режима работы ТЧЭ в схемах: 1) фиксированное значение U3 = const; 2) U3 изменяется и равно выходному напряжению схемы UBbIX; 3) U3 изменяется в зависимости от изменения порогового напряжения AU0 либо данного ТЧЭ (при обратной связи U3= ивых), либо при подключении затвора ТЧЭ к выходу другого ТЧЭ, напряжение которого зависит от AU0., т.е. когда U3 = f (AU0).

На основе сравнительного анализа характеристик схем показано, как 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. Это даёт возможность при заданных исходных характеристиках ТЧЭ сделать оптимальный выбор схем и электрических режимов их работы. Уникальной особенностью

чувствительных элементов на основе МДПТ является управляемость их характеристиками напряжением между затвором и подложкой 1!зп, что помимо оптимального выбора начального значения изп позволяет повышать чувствительность датчиков за счёт применения «самоуправляемых» схемных конфигураций с внутренним усилением.

В пятой главе представлены методики оптимального выбора по заданным критериям схем включения и электрических режимов работы МДП-транзисторных чувствительных элементов для проектирования на их основе датчиков и микросистем. Общие характеристики исследованных схем и рекомендации по их применению представлены в таблице.

Общие характеристики схем

Схемы Достоинства Недостатки Рекомендации по применению

1 минимальная погрешность из-за (3„с и и«*, большой диапазон преобразования АиПп сложность настройки, трудность реализации в БК ИД испытания ТЧЭ, применение для снижения погрешности Цю, и <2„с

2, 3.1, 3.2 простота, повышенная чувствительность, возможность оптимального выбора режима ограниченный диапазон преобразования как схемы БК ИД с оптимизацией параметров по заданным критериям

3.3 высокая дифференциальная чувствительность ограниченный Ди<т, высокая нелинейность для малых ди„п с последующим усилением

4 повышенная чувствительность большая Р, ограниченный Диоп для малых диоп с последующим усилением

5 очень высокая чувствительность повышенная Р, ог-ранич. Д11оп как схемы БК ИД с оптимизацией параметров по заданным критериям

7.1 небольшая Р, возможность повышения Д11оп низкая чувствительность и надёжность для расширения Д1Гоп за счетЕ

7.2 высокие чувствительность и надежность повышенная Р в качестве элемента ИД, когда мощность не критична

В повышенная помехозащищенность, возможность оптимального выбора режима ограниченный диапазон преобразования при больших уровнях помех и влияния побочных факторов

Для схемы №1 характерным являются большой диапозон преобразова-

ния, минимальное влияние на погрешность заряда поверхностных состояний, минимизация погрешности временного дрейфа за счёт рационального выбора режима (тока стока 1с и напряжения сток-исток 11Си), соответствующих установившемуся значению начального порогового напряжения. Пока-

заны возможности повышения чувствительности, линейности функции преобразования, снижения порога чувствительности и погрешности измерений в заданном диапазоне концентраций газа для схем №№ 2- 8 за счет рационального выбора их электрических режимов, определяемых параметрами {Щ}, Е и {Я,}. Получены формулы для оценки предельных возможностей улучшения характеристик ИД на основе ТЧЭ. Например, для повышения чувствительности ИД в заданном диапазоне преобразования Д11м при оптимальном значении и3 = и3 *= {[1 +2 а Е ]0,5 - 1}/ а - Д1!м максимальное значение чувствительности не превышает ~ (Е/дим -1), где Е - напряжение питания и а ^ЬЯ,. Минимальный порог чувствительности ограничивается величиной Кпшш=[(2Е-дим)/(к'(Е - дим)2)]*1п[дим/(дим - ДУ)], а снижение погрешности влияющих факторов в схеме №8 Д< 0,5а-(Ди0/)2-

Даны рекомендации по практическому применению ТЧЭ в водородочув-ствительных датчиках и системах управления газового состава сред, которые сводятся к общим процедурам предварительных испытаний и сортировке ТЧЭ по группам для использования в приборах и системах различного назначения. Дана оценка возможных режимов эксплуатации ТЧЭ и критических параметров систем (быстродействие, погрешность, время подготовки) для следующих областей применения: экологический мониторл, перезарядка аккумуляторов, детекторы утечек газов, оценка степени пожара в шахтах, извещатели об опасных ситуациях, пробный экологический контроль и медицинская диагностика. Предложены пути разработок интегральных газочувствительных датчиков на основе МДП-транзисторных чувствительных элементов. Один из них - разработка газочувствительных ИД на основе БК, содержащих помимо НЭ и ТЭ чётное количество нескольких одинаковых ТЧЭ и резисторов на тонкой мембране кристалла, с дифференциальной парой параллельно соединённых ТЧЭ по схеме №8.

В заключение обсуждаются основные результаты диссертации.

26 ВЫВОДЫ

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 Ди0, нелинейно зависищее от входного информативного параметре X, стремясь к максимальному значению Д1ГМ, 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 опре-

делены 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 (12(Ы40)°С, а максимальная чувствительность к водороду проявляется при температуре кристалла (175-Ч80)°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 ИД на основе ТЧЭ. Сформулированы предложения по созданию интегральных датчиков на основе МДП-транзисторных чувствительных элементов и рекомендации по их применению в приборах и системах.

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.

Основные положения н результаты диссертации представлены в работах:

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

2. Подлепецкий Б.И., Гуменюк C.B., Ледовский К.В., Коваленко A.B. Исследование характеристик кремниевых датчиков водорода.// Приборы и системы управления, № 9, 1998,71-73.

3. В. Podlepetsky а S. Gumenjuk, К. Ledovsky, A. Kovalenko INTEGRATED HYDROGEN GASES MICROSENSORS // Proceedings of VIII Int. Symposium on Measurements and Control in Robotics, 1998, Praque, Czech Republic, 17.

4. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю., Измайлов Д., Степаньянц Н.,Гумеиюк C.B., Коваленко A.B. Исследование стабильности характеристик интегральных сенсоров водорода и влияния на них светового излучения.// Сборник научных трудов, том 6, Научная сессия МИФИ-99, М., МИФИ,1999, 91-92.

5. Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И., Гуменюк C.B., Коваленко C.B. -Исследование эксплуатационных характеристик интегральных сенсоров водорода. // Труды конференции «Датчик-2000», Крым, 2000. с 67.

6. Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И., Гуменюк C.B., Коваленко A.B., Макарова И.Ю., Мамедов Г.С., Чиликин A.A. Исследование воспроизводимости характеристик интегральных сенсоров водорода при их долговременной эксплуатации. // Сборник научных трудов, том 1, Научная сессия МИФИ-2000 , М., МИФИ, 2000,147-148.

7. 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. 29-31.9.

8. 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.- M., 2008.-Т. 8. - С. 123-124.

9. Никифорова М.Ю., 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.- M., 2008.-Т. 8. - С. 125-126.

10. 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.

Подписано в печать 23.10.2008 г.

Печать трафаретная

Заказ X« 1037 Тираж 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www autoreferatru

Оглавление автор диссертации — кандидата 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 2008 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Коваленко, Андрей Викторович

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.

3). Разработка физико-математических моделей (получение формул для расчёта характеристик ТЧЭ и датчиков на их основе), определение параметров этих моделей.

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:

- 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.

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;

На защиту выносятся следующие положения:

1) результаты экспериментальных исследований параметров отклика ТЧЭ и Составляющих погрешности их определения;

4) результаты исследования влияния на характеристики ИД с ТЧЭ измерительных схем и электрических режимов их работы;

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 диссертация на тему "Чувствительные элементы интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторов"

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.

ИД с ТЧЭ, а также математическим обеспечением имитаторов датчиков для отладки измерительных приборов и систем.

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

Библиография Коваленко, Андрей Викторович, диссертация по теме Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

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.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00