автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Напiвпровiдниковi газочутливi перетворювачi на основi структур з вiд'емним опором

г»г., КЩЪОЬлИЛ ПиЛИЬ'.'-Н1ЧШ('1.1 и.исЖГЯ

сл ' •

■ На правах руколису

ОСАДЧУК ОЛЕНА ВОЛОДИШ1Р1ВНА .

УДК 621.373.12

нап1бпров1дк1иов1 пь0чутл;!31 перетйорювач! на основ!

струхтур з в1д*сг,ш-ш олсроа

Спец1аль!(1сть - 05.27.01 - твердотьлэ йлектрон1ка

1 и1кроолекгрои1ка

автореферат

дисертацП на одерааннн иченого ступени кандидата техн1чиих лэук

Ки1в - 199^

Роботов е рукопис. »

Робота виконана на кафедр! м1кроелектрон1ки КиХвського пол1-т»хнхчного институту.

Наукевий кар1вннк: доктор техн1чни:с ьаук, професор, академ1к АШ/ ЮЛ.ЯКИМЕНКО

0фвд1йН1 опоненти: доктор фхзико-математичних наук, професор, лауреат Державно! првмх! УкраЦни ЧАЙКА Г.6.-

кандидат техн1чних наук, доцент КОНДРАТОВ-В.Т.

Ведуча орган1зацхя:'институт нап1спровхдник1В АН УкраКни

м.КиТв

Захист вЩбудеться " <*/ " ¿¿иогъоЮ 1994р. о 1Ь-00 год. на эасаданнх Спецхалхзовано! Ради К 06b.I4.I7 и КиКвському полх-. техничному шститутх за адресов <¿52056, ы.Ки!в, пр.Перемоги,39,КПЗ

3 дисертацхею ыожна ознайомитися в б1бл10тец: КПХ.

Автореферат розхсланий Сс-Ъа^Я 199 р.

Вхдгуки на автореферат в одному екземплярь зав1рен1 печаткою органхзацхк, просимо надсилати за адресов хнституту Вчеиоыу секретарю Спец1ал1зовано! Ради.

Вцений секретар

спец1&п ковано! Ради, __/

кандидат техн!чних наук, доцент (=г"'~ Ю.Д.НОБЦЕВ

oAl'iUililA ХАРАд'ШМСТкЖА ШШ'1М Акт.уальи1сть роботи. Р1зкз noripmeHHH еколог1чного стану нав-колишньсго середойища потрвбуе як безперераного його контролю, так i упраилхння технолоНчниыи процесали виробництва, що впливамь-на його стан. В зь'язцу з циы до первинних газочутливих перетво-рювачха, як j вимхряють параыетри газового складу-серадовища, ста-вляться HopcTKi.виыоги. Вони псаиних бути економ1Чними, забезпе-чувати високу точность ьюприванкя, цати якоиога uoumi габаштл i вагу, сумскими з сучасними ЕОМ i доз во л яти ко.цування !нформ&-цИ при передач! П на велик1 ввдстань

Дим вимогам майже не в!дпов1дають 1снуюч1 ператиорювачь Тому одним з перспективних наукових налрямк1н у розробцх первинних тиирювальних леретворювачхв, залропонованих у робот1, о використ тання залежност1 реактнвних властиаостей повного опору структур типу иетал - д1електрик - нал1впровъцник вщ кокцентрац11 нолекул оточуючого газу i створення на qid ocuoai газочутливих частотних функщональних перетворюнач1в. Це дозволяв виготовляти газочутли-Bi ператворппачх за ы1кроалектранною тохнолог1ею, цо дао мохли-вхсть п¿двш'ити Кх точн1сть, швидкодхю i надхйнхсть. KpiM того, пооднання на одному кристал1 перви:шого ьиыхрювальього перзтсога-вача 13 схемами обрибки хнформацИ уможливнть створення "хнтелек-ту&чьного" сенсору.

Бикориствння частоти, як »(формативного параметру, дозволке уникнути застосучання аналого-цифровых перетворювачхв при обробцг ЫформмШ, що знизить варт1сть систем д1агностики i контролю.

Метою роботи е створення HeniBnpoaiAHHKOB'.ix газочутливих перетворювачхв, технологхчно сумхеш« з мьчроелектронноо элементною базою. Принцип роботи 1х оснований на функц10нальн1й эалеж-ностх повного вхадного опору б1полярних та йДН-транзИсторних структур э в^д'еанич опором над контрольовзлих пзранэтрха газового са-рэдозигца.

Для досягнення постаилонок мети I) дисертацхйшй робот! вирх-шуються слвдукт задач1:

1.Розробка математично! к:оделх газочутлиного перетворваача, складовими частинаыи яко! е теоретичний розрахунок ноиного входного опору функцхйного перотворювача на основI бшолярних та МДН-

структур з взд'емким опором, отримання рхьняння перетлорювання.

2.Досл1Дкення ф1зичиого ыехан1эц/ взаемод1! молекул газу э активною маталхчноа повёрхнею електродав затвору МДН-структур.

3.Роэробка I дослхдження конструкций пристроКв, призначених для реалхзацН функц1онального перетворювання "к1льк1сть хеыосор-бозаних молекул газа-частота".

4.Експернментальне дослгдження функцхй перетворювання розроб-лених газочутлиаих функц1ональшх перетьорювач1в.

5.Створення експвриыентально! установки для визначення пара-ыетрхо газочутливих фунтпокальних перетворювач!в I «пнка похибок пр*.ктичних конструкц1й.

Ыетоди дослтджень заснован1 на використанн! основних полсжень хаорх! функцхк комплексно! зм1нно!, диференцхального та 1нтограяь-ного числення, лхнхйних електричних к1п, теорЦ йыов1рност! 1з за-стосуванням ЕОД на стадгях анал1гу та синтезу.

Наукова новизна роботи полягае в отримати сладупчих результат гв:

1.3апрононована штшэтична модель, яка описуе эаложн1сть активно! та реактивно! скледових повиого вх!дного опору функц$ональ-них перетаорювачхв на основ! бхполярних та МДН-транзисторних структур в!д концентрацН хемосорбованих частой газу.

Й.Розроблено прищип побудови функц!ональних перетворювачгв на осноэ1 б1полярних та Мда-транзисторних структур з в!д'емним опором, в!дм1нний ввд 1снуючих тим, що в ньому вперше застосоьано вза-рмозв'язок реактивних влгстивостэй б!полярних та М#!-транзисторних

структур х коадентрадП хеыосорбоьашх молекул газу.

Практична цхкн!сть работа полягяа в тому, що розроблен! фун-гаиональщ ператворювач!, чутлив1 до зи1ш{ параиетр!в газового се-рздозггца, суи!сн1 э цифровими систеывми обробки 1 ,внго-

тоелявтьсл 13 застосуваниял стандартно! групоао! хнтегрально! технолог!!. Цэ дозволяв значно знизити варт1С1ь систем дЫгностшш ! контролю, повнхсзю реалхзувата гзерзваги ¡икроелектрсншас йерз'гко-рэЕач1в.

АпробЕпхя рсботн. Основых полоаеиш дисертгцхйно! робаги ливикладоуи & сбговоренх на всесоюзна науково-тех^шпий кеифзреь-цЛ "АктуалыИ проблеыл приладобудувания" /м.Новосибхрськ, 1990р./, »а XIX I XX обласних науиово-;схн1чшх конфгрекцхях /тЫтаця, 1990, 1991р,/, на рзспубл1кднсьнхй иаулова-технхчнхЯ конференхШ "Проблеич автонатш»: контролю електронних пристро!в" /а.Вхкы«-И1, 1990р./, II всосовзнхй нарадх ыолодих вчошга 1 ф£х1вц1э "Датчик -90"/н.Гурзуф, 1590/, асесоюзщЛ науково-техщчнай конгэренцп' "Прнледи з в1д'емН1Ш опором та хнтвгралыи перетворювач1 на Хх ос-новГ* /и.Баку, 1991р./, есвсспзнхЛ нпуково-технхчихй нврчдх "По-рошкова иетьлургхя х композиц1Янх цатархали х порошков! покриггя", пхдсоэтия "Матор1али доя електронхки" /м.Льв1в, 1991р./, I всесо-, взний конфервМ!II "Актуальн1 проблема отримання х викорксгвиня сег-нето-, п'еэо -1 гиролхтичкпх матерхалхв /ц.Москва, 1991р./, на на-укопо-7ехн1чн|й конфереши? дерпая СДД "Контроль I керування в теж-нхчних системах" /м.Щннкця, 19УИр./, на каукоио-технхчн1Я конфв-рвнцх! держав СНД "Приладобудування - /м.Керч, 1992р./, на на-укоьо-техпхчнхй конферашШ дерзав СНД "Проблей» г.в?сыатазо.ц11 контролю елсктронних пристроТв" /м.Вхнниця, 1252р./, цгукавр-гвхи1ч-нхЯ конфоренцх! "йимхрюьвльна технхка в т?хнолор1чшх проносах i конверс^ аиробншдтв" /.ч.Хмелышцький, 1992р./

Публ1кац|у. По ка?ер1а_лшг днсоргащПно! роботи опублхкоьано 14 друкоьаш?::. пращ., нключаючи 2 по.и'.тиши рггення на аиторсыа св:доцт'ш.

-с-

06'см $ структура дисертац}!. Дисертацхйна робота складаеть-ся 1э ьступу, 4 глав, висновкхе, перел{ку иикористаних джерел 1а 139 найменувань 1 3 додаткха, Загальннй об'ем роботн скдадае 1В4 стор!нки, в тоцу числх 149 сторонок основного тексту, малюиНв -§3, таблиць - 9.

5Ы1С1 РОЮТИ

У еступх обгдунтованм вистуальнхеть дословны» 1 розроОки нр-п1впроэ1дннков«х гьзочутлнвих функ1Цоналиныс ператьорюьач1в на основ! транзисторна* структур а вад'емшм опором, с4»р«ул»ован! цмь, явукона новизна, практична хинихсть дисертащ!, приведена п структура.

В пвршй глав^ зроблено анал1з хенуючих ш;Тодхв I засобхв контролю параметр}!* газового середовгсца, показан: IX пере>.аги I не-дол1кя. Розглянут1 теоретичн1 приникни, використащ для прозктуи&и-ня напхвпроБ^никових переинних иим1ршальних газочутливих пере-творювачхь I передуыови иикористання на1ивлровхдннкових структур а вхд'емним опором для цих гилей. Сфорыульопанх задлч1 дослхцяенъ.

Ан&лхз хенуюикх методов I засо(Нв контролю параметров газооо го середовл-ца показуе, що Тх меч-рслоНчн! характеристики в зн1.чн!й м!р1 визначаються параметрами викорастаного перьчнного вим1рювйль~ ного перетворювача. Тому нккористьнм сучасних досягнень в облестх Ы1кроелектронно1 технолог!! дозволяв створавати первиннх виыхра-вадьнх перетьоривач! нево! гвнарлщх!.Для »¿их характер^ простота, ивдШисть, широкий д1апазои робочих температур. Групона технология дозиоляе отрнмати великх парт1! Нкгомшь.тврних п,>илад1в в единому технологхчному процесс що дае можливхсть !х понно! хдентифЬ-е-цН, Найбмьш повно цим вимогам ь1дп0в1давть ьимхровалььх перотворо-ь&чх на оенша напхвпрэьщникогих структур, як1 реал1гуить сорбцхй-«йй ыетз;, ышхры'&ння концентрацх! газхв. Тому в остамай час почили пикорлс ;*с ьуиатися структури нетал - ныиьпровхдник, метал -

дхелектрмк - напхвпровздник. ¡3 цих структурах чутливими до газу елементаыи е шники мотал1в нлатиново! груии, якх повинн1 бути ,по-ристими для кршцого контакту з газоаим середовищем. Пл1вки наноситься на поверхню нал1впроввдникового або д1електричного ыатер!-алу структури.

Механ1зм дхТ ЫДН-структури оснований на змхнвваша току стону П1Д дхсг катал1тично1 адсорбц1К доел1Джуваного газу на повврхнх тонких метал1чних пл!вок затворного електроду. Д1я газу зм1дае энную роботи внходу електрон1в о металу I напхвпроввдника, що приводить до зм!ни порогопел ьапруги структури 1,'отже, току стоку.

Огляд 1 анал13 г$бл1кыий, приерячених теоретичним 1 окспери-ментальним досл1цженням можлипостх використання газочутлнзих на;из-прогидниконих структур, показав, що 1сиуюч1 леретворюваи1 на основа МДН-структур мають невисоку чутлиз^сть, за принципом спог? роботи с пналогоними, що потребуо кодування ¡п^рмац!? при П передач!, або використання аналого-цифроних поретрорыпачхв для П пзрз-робии, що знячне здорожус контрольно-внмхргмальну епаратуру*

ь зн'язку э цнм в дан1Й робот1 нпе{<ип яалропонот« пер'зпеи-тивний принцип поСудови газочутлиних чяототних перот!'орй;шч1в, тему що в цьочу ьнппдку регл^эугться нисокх мегрологччн1 покаэиики при-строТн ! чожли.т технолоНчка сум1сн!сть э м1крое,чектронними при-строями обробки 1нфорччцЦ. НайбЪшпу фунгц1онвльнкть 1 мо*ли-в1сть пол1птння пнррыотр1р маять МДН-структури. На 1х основI конструктивно I тгхнологччнп легко ¡г.'едняти як сам прриинний норетпо-рпияч, так I реал|зунвти нщ'емний 01ир п данМ схем!, що дозволяв строрити принцип нимц ювгння "газ - частота".

Для практично К реал1аац1! } промислопого освоения 1:ап1ппрон1д* никоних газочутливих чаототних «нчхрявяльних перетчорш-ачгп нооб-х1дио провк'-ти комплексне доел щкеннл, в яке входить розробка (1а_ темртичио! моде."}, експериментальнв пер-зПрча I ппробац!я ноних

твхн1чних ршень.

Б друНй глав! розглпдаютьса фгзичнх процеси, якх в|дбуаа-ються у функцмнальному П9ратворюаьч1 на сеновг дходног ЫОН-струк-г-ури при IX взавиодИ 1з эоенЬшм гаэовиы середовицем, даеться цатеиатичний спио цше процесхв, освилюеться аалентегь основная пьрем2тр1в фунюЦон&дьно'го парвтверювача в|д живая«*о1 напруги I едектроф1знчннх параметр1в нал!впров1цниЕ:оЕо5! п£дкладки.

Газачутливий д!однлй еяемент виконаний у внгляд! кремыхевоЗ гЦдаладки з електронним типом пров|дностх 1 питоыим опором 4,5 Ои*см, на якхй зроблений прошарок двоокнеу кремнхю, товщиною 100ш. На прошарок двоокису кремиш наноситься проаарок &шзмхни>, а на нього оеаджуеться лроаарок палед!в, тоьщиноа 40ни. Площа воасмодх! газочутливого елемента з газовим середовгсце.\! стг.новить

Дня отримглщя основних сп1вахднсщень, як1 звг'яэують емкость функц1онального паретиорзов&ча з концентрация «олекул дхвчого газу,

був розгллнутий механхзч взаемодИ пезерхн* ыеталевого електроду

з газои. Цзй м<-з\"йнЬм безуеться на адсорбцхйних ягищох на поэерх-

нях катаяхтично-ьктивних ыетал!в платиново* групи. Д1 матали мвдть

' властигост! тек званих "лероххднкх", атоми яких М1стять незавериэ-

н4 псерудинх електроши оболонки /А - елементи/. Зардяки то-

кхй будоь1 слектронних оболонеж дан! метапи яьлк.оться катал1зото-

раш, особливо п|д час проведения окиелганально-вхдно^люнаних реак-

шй. На поверхн! цих метал 1» анаходят;1ся актинн1 иентри, причочу

едсорбц4я проходить з утьорг£>нАМ адсорбцхйних комплекс хв.

Зг1дно з теорхею адсорбцИ Леигмюра механ!зм д¿Г гасочутливо! МШ-структури складаегься 1з кш>кох етап1в. Партий е?ап - ацеорб-ц!я ф1эичиа, коли на молекули реагента /газа/ нояинають еильнодЬ гоч1 сили -гритялхння иандер-Ваальсп 1 близькодЫч! сили г;1датокху-вання Борна. Нкщо молекула мае достатню енергхю, то фхзична адсор-би!я переходить в хеМосо^Ыш, тобто, мае м!сце х1м1чна реакц1я м!ж молекулами пдеорбата { адсорбента. При хсмосорби!* практично

вс! цояекуяй дисощгд»?ь, .гску диад« -чц^я емас-н, при аио-

ку мзлекули газу, та»! як водвнь, ауглеводеиь, спирти, мояуть вхд-дааатн олектрони х стащат» позитивно зардавшши хошшц, а актовых цзнтрл зарядкатись негативно. Да означав, цо ието/ична гц|вка на-ястшчуе кегативний зархд. При пЩй^еннх температур:! аигнзус'зьс!* час адсорбцЦ 1 збыьаувться швидкхсть ди<£уэЛ дисоцШвашго водив кр!зь ыхкропори РН - плхекн. Танин чикои, вхдбуразться пзрзх1д дэ трэтього етапу взаенодН Рс1 - глхзцл а газои, Н* крхзь порг - пл*вии.

На мая! роэд1яу Рс1/ Аё/ЗШ^ стлорсзться подв1«лнЗ .алч-гтрпч-ний проиарои, внасдхдок чего нагЦепроввдшк п-ти([у крсмнхо на ц»-дх розд$лу .9/0?/ мае ноглтивний заряд в дриповзрхнзаалу про-

шарку, що спричнняв викришшння гнэргетичних зон иал^апровздннк?, тобто з!»к1заться вни1сть структура, яка заленигь на тхлька в1» величина 1 злаку прикладело* напруси, алэ й вад парэрозподхду .-заряду в приповархнезоцу прсшарку кремнха, внкликакого адсорбция молекул газу.

Иопна еинхсть дходнего газочутливого елемэнту складвиться э послщовного з'сднання емност1 дхолектричног шйек.ч х еукзстх, пэ-а'язано! з об'гмнчм зарядом в припоеерхшПй облает! нгшвпреэхд-никовот падкладки, тобто кхнцевий вираз мае вигляд:

л ,т + " . ...

Д0 " д1влектричь1 стал1 иалхвпроахдника 1 д1елахтрика;

Ьп ^ ■■V - двбаевська до дойна одоктронхв;

А у ПоС^

Ц я—^ - поверхнзвий потенцх&л;

¿¿н

ГЦ Ро - рхзноизгова конионтрац1я елвктрон!п х д1рок в иап1впрэ-в1дкиков!Я пхдкладцх;

N(1- концентрация донорних атом1в в налхвпроьпдникоихй пвднладцх;

- заряд електрона| К - стала Больцмана;

■-Щ Щ лч*

9

м

кТ

-I)

Т - температура; {1,В- товщина 1 площа д1електрично! шпвки.

При дЦ газу на маталевий електрод ввдбуваеться эыша повнот смност1 елементу за рахунок накопичвнкя зарлд1в. Накопичен! заряди в залежност1 вЩ 1х знаку I типу пров!дност! нап1впров!дниковр|

\

п1дкпадки, зг1дно теор1| Ленпшра - Ландстрема, зсувасть вольт-фара^ характеристики по в1дношенно до хдевльноХ по в!с! напруг на величину.

д1Г лЫпох \ *

дв ДКши- максимальна величина зсуву напруги при д11 газу; ^ - коефииент, який характеризуе едсорбц!йн1 ароцеса; Км - концентрац|я молекул д1ючого газу.

ПрнП1дстановцУ2/ в /I/ отриыусно з&лездЦсть еыностх газочут-

дцвого влеыанту величини накопичаиого заряду виэн&ченого газо-

вии потоком, д!вчим на елецент. ^{дклвчення аовнЬжьо! 1ндуктивнос-

т! до електрод1в г&зочугливого едеиенту дозволяо peaлtзyвftтн д1од-

иай функц1оньльний перетворювач,.резонансна частота якого эалекнуь

а!д кокиентрацЦ молекул вкм1риваного газу. Р1вняння псретворснкя

в цьому випэдку визначаеться:

дУ» (И1Ы1Л

+ ту

Л

О "<.

) /3/

дэ I - ЗОВНШШ 1НДУКТИЕН1СТЬ.

Анал1з роботи дгодного функцхонаяьного парвтворивача показуе, що найбхлып оптимальним режимом роботи е лхнМна д1лянка вольт-, фарадно! залежность

Третя глава присвячена математичному моделюванно залрогоновация фунмЦйних перетворювач1в на основ1 бхполярних 1 ЫОН-тран-зисторннх структур з вад'емним опором. Матенатична модвлюяання проведено на основ1 вхв1валентних схем б!полярних 1 польових транзис-торхв, що дозволило отримати анал1тичн1 залежност! ос'новних паря-кетрха функц!ональних пвретворсвачхв.

Пхдэищення чутливост! 1 точност! д!одних функц1оналыт йврд-творовач1в ыожливе на основI транзисторных структур, тому що вони дозволяють в одн1й схем1 об'еднати як генератор елвктричних коли-зань, так х пврвиннкй вим!рювальний перетворивач. В цьону раз! в якост! бмкост1 коливального контуру виступае дщцний газочутливий елеиент, а !вдуктивн!сть реалхзуеться на основ! двох б!полярних транзистор!? /малЛ/..Для виникнвння коливань в так1Й структур! на-обх!дно коыпенсуцати втр&тн енергх! в контур!.

6ИХ1Д •

дУ-

Ыал. I. Схема леретворювача змЫного струму на основх двох бхполярних транзисторхв.

■12т

Г« й,Ь9

0,П

0,37

О,-1Ь

зг==г=; *---5 г-

I /о Р* --';•■

Мал.2. Теоратична / - /\ експериментальна / — / залежнхсть резонансно! частоти перетворговача на основ I двох бхполярних транзистор^ в!д кокцентрацЛ иолекул водню.

• Та^ уыови реал1зуються при створетц ьхд'сшюго опору в трэд*-еисторнхй структур!. Дчя визначення ргвнякня перзтвореннв необидно розрахувати псвниП огпр паретворювача. Такий оп!р мае 1ндуктив-характер, активна складова $ в повн1Й облает! частрт « в^ц'р-инэ значения, а величина щцуктивностх визначаеться реактивноо X евлвдово»:

<4.0

. /4/

д/

де 1ег~ 0П*Р емхтерних переходсклодових транзистор1в;

0П*Р базовых областей складових транзисторов; (1$ - зовнишй бьзовий оп!р; £ - робоча частота;

^ - гранична чата^ь транзистор!в в схем! 13 спмьноа базой

<¿0 - значения коефшхснта переда« току в схем! !зсп1ЛЬН0ю базою.

Ргвняння перетворювача, яке описуе ЭЧ1НУ резонансно* часто-

та при Д11 газу на их1Д пристрою, отримуеыо у виглядх;

"И

ь

в 1

/6/

дв Оа,Ц)~ початков 1 заряд I напруга на метал !чноцу затвор! газового елементу перетворювача.

Експериыенталып та розрахунков! заяежноотх частоти функц1о-надьного паратворввача вщ зыхнн концеитрац1Х иолекул вэдшз приводен! из мал.2.

Проте недол!ком тако! схеыи с дула вуаькнй д1апазон частот, о якоиу кнуе вад'емний огпр, а також ввдносно иала Пого величина, що обмене IX иоаливость Конструвд!я перотворэвача на осноп! биполярно! I ЦОН-транзисторио! структур дозроляо отримати биыа висок! значения ихд'емного опору в широкий облает! частот, пр«чо«у МОН-трзноистор ьиступае як первинний перетворавач, так !, як ало» • мент схеыи генератора /иал.З/.

По ь ни Л оп!р, який наг, емк^най характер, складавться з активно! х реактивно! складоиих:

/7/

'Ш. . /а/

де Я = л, , у, -¡^ , т-/п, -¿тг , £ = ч< ,

2! + Г /£

* 2, + ¿> t

7.М - /, - л,-

т =

7\ л ч, + г у - + г.г

¿Ту«¿V -¿'Ъ , -¿V * I, .-6, Д, , г4 -- л

ВИ Х1Д

. Мал.З.

Гц «

Схема перетьораэвача змхнного струыу на основ i

го i польового з 1зольованим затворок транзисторами.

•

-г1" •

_. ^ J I —

/1 *

ШО 200 300 400 Ш Км J ffrn

.Мал,4. Теоретична / - / i експеримеитальна / — / заяе«н1о«ь резонансно! частота ператворювача на основ! бinoBßpirara i польового а ¿зольоваинм аатвором транзистор!» концентрацИ водгоо.

n Rei V _ ft^/fii , I/ _ f

0 - V - WU* , Q, - "» t

Hl~ 1* очи eh * Xi~f'+ u>vMCsi ^-ujH^cf '

a ft oCii

h

h:

h

UùfCt

14 0*11** û„* ' ^ = (ici - ehip сток-вигîk, Cet - euHietb стой-вит1К, C^- емнхеть затвор - сток, Йз( - onip затвор-Бит!«, C3g - еинхеть затвор-йитхк, S - крутизна польового транзистора, Не, Ce- onip i емнхеть es.i-тарнзго переходу, Як, 0«- onip i емнхеть колекторного переходу' б!лолярного транзистора, fi - коефппент передач i току в cxe:-ù ai спёльшш амгтером.

Pimuumn пэрятиорзння для uieï кенетрукц!! «as вигляд:

2зт

LCua.

U

Vmai /Уа h

ik

-i

да визначасться реактивною складовою /8/, Експариивнтлльн! та розрахунков1 значения р1вняння пара-творэняя поданi на мал,4.

Дяя абмылення цутливост! i розвирення температурного д1-апозону роботи функц{онального перетворювача на основ i бшоляр-koï та МСН-транзисторно! структур нео6х1ДКЗ зам!нати б1поларний транзистор m польовнй з хззльопошш патверои. Б иьому paat ог-рицувио конструктив порвтворйвача, склвдснзгд з двох полыиаих

-Ло-

транзистэрхв, на затвори яких можуть одночасно дхяти гаэс.-и потоки, щв створюе первдумовц для зб1льшення чутливост1 иеретворювача

При роэрахуннах повного опору перетворювача, якай мае еик1сний характер, ьважатимемо однаковими параметр« подьових транэистор!в. 3 врахув&нняц иього аеувакеиня отрьыанх опхььЦнощенкя для активно! 1 реаадавнз* садвдових;

^ Х - ()г1 1-е,) + (М>

8£ £~-Сгкгг > •У'-ЧцУг . Г Г,-У/" , д/, ^ С ~ А- - X? * * 4 С - 4- У?__

+ 7<) -у-/с) - /зу/г^л, -лг '

Мал,5. Схема перетворпвача зм1нного струму и'^ всиов| двох польовнх з 1зольованни затвором трзнзистор1з.'

Гц

и, 53 а,5 г

0,50

1 —

/

/

ЮО М1 ш 'иШ ■ МО км

Ыал.6. Теоретична / - / та експоричентпльна / — / аалет-н!сть резонансно! частоти перетворюяача на основ! дпох польових транзистор!в з ^зольованим затвором в!д концеятрац!? водню.

& ¡гСсЬ у. /

г.оп!р ст»в-вит$к,£/ - емн!Р¥Ь рток-вит^к, опхр затвор-

вит1к, Л/ - еми!суь эатэор-виНк, Ар- рмнхсть затвор-сток польо-здк ?ранзиртор1В, - крутизн» польових транэисторхв.

Рхвняння перетеорення схени на основ 1 двох польових транэис-■гор!в приймае вигляд;

Д® внзначаеться реактивною складовою /II/ повного опору пере

творювача.

Теоретичн! та експериментальш залежност: розонанснох частсти функцхонального перетчорювача в1д змхни концентрацх! молекул водна поданI на мал.6.

Використання розробленот м&теиатично! модел1 дозволило ство-рити нскенерну методхку проектування частотних первинних вим1рю-вальних перетепрпиачхв на основ 1 реактивних ьластивостей напхвпро-вЬцнинових ст]>уктур з вхд'емним опором.

В четиерт1й гла»! описана экспериментальна устеновка 1 умо-ви проведения експеримвнту, оцхнен! похибки вим1рювянъ, поданх екс-периментальн1 досл1пдення основних параметр1в запропонованих конструкций гаэочут.швнх функц1онельних перзтворювач^в.

Експоримснтальна .установка по досладкешш резонансно! частоги в!д концентраиН молекул газу, д!пчого на функщональний перетьора вач, являе собою камеру, в як}й знпходилась газочутлива МОН-струк-тура, владнана в спецхальихй пгдтримувач.

Так я« хзцосорбцтя молекул газу суправоджуеться роз'«ладом вдеорбэ-

молекул i утворенням продукт!a ix азаеыодЦ э пэвартввюш центрами, то для цьогв првцасу несбх!дн! печн1 öHepräiamiJ эитра-тн, тому ¡IOH-структура працюе в режим! пхдогрхву. Робочз, mtrspa-

iS'

тура складала 373 К.

Для рзгулюве.ння i пхдтр^мхи температурив необххдних цежвх були викорнстзнi схеии елактронного термометра i термостата.

При дil газу на МОН-структур.у за рахунок хеиосорбцх! аито-ьалась II емкхсть i отяе частота генэрашХ, яка зв'язана я нэк-центрацjen молекул доел}д*уваного газу. Трииалхсть подач! газу ersi-ловила 10 хвилин, пауза Mia подаванням !мпульсхв - 20 хвилин. Те.-ка трнаал1сть паузи необххдна для в1Дновлення чутливостх поперхнх. itoHUSHTpanin молекул газу в ismyjifecax склвдала в!д 10 до 500' j>pai.

11о!>ний о.1 ip функцхональних паретьор&вачхБ вшйравався (Ьазог.чм

3" 9

методом, ain лоэволяе проводлти .икнхривання на частотам 10 - TQ Гц, причому jMiHa характеру реантивност! повного опору на впливае на точность вимхрювання. Експ^риментальна установка яыляс собой коа-бхнований вяи1рювач рхзнти фаз типу IK2-IÜ разом з приставкой, .чиа забезпечунала електричне жимення функционального ператворязача. Напруга з виходу генератора, який яадае необххдну робсчу частоту, напру га з цосл1пд:унаного повного опору, рхэштя фаз и in цими нач ругами, а ?ако* величина активного опору, п|д;йгмченого посладовно з вимхрованим попним опором, складають данх для розрахунку активно! i реактивно! складавоI вххдного опору функийональких перкт->орюиач j -:

При OLiiHui похнбки BHMipoB8HH>. повного опору перетьоро.чачхв припускаоться, що ихцом! серед;й або ткпоах значена.. паралетр1к транзистора функи!ональних перетворювачхи i середнх квчдрагичн1 вхдхилення. Для ucix параметрin транзисторхв е справедливич закон нормального розподиу. Допусков! значения похиб«-. генератора елек-тричних сигнал in, алектронисго вольтметру i фазометру ввачвються

эаздалеНдь в!домими, Методичн! частно в I лохибки вклл^чають в себо «шдуюч! складов!: похибку вим!ров»ння за рахунок внутршньогр опору генератора високочастотного струму; похибку, пов'язану а не^оч-ним установлениям чаототи; похибку, обумовлену ьстановленняы елек-тричного режиму первтворювача; похибку за рахунок конечно! бмпл|-гудн високочастотного току первтворюьвча; похибку за рахунок вико-ристанкя методу непрям их вширювань; похибки, обумовлеих иаточшш прочнтаншш показань вольтметра 1 фазометра.

РОзрахунок систематичних 1 чисткових похибок показав, що су-парна похибка при вимхрюванн! повного опору функцхональиих пераг-ворпвач!в складав ±12^.

Оц1нка похибок газочутлниих фуккхЦонвдьних паротворавачхв при вш^рхшаннх концентрацй молекул газу показала, що кайб1пып сутхе-вими е похибки, обумоилен! нестаб1пьн1сп> елеиентхв частотно-за-дегшо! системи 1 впливон фазового зсуву в ланках замкнутого контура автогенератора. Врахування похибок, обумовлених дестабШэзщй-шм впливом напруги киапення, температур» ! нелиийностх, дозволило розрихувати поьну похибку, яка складас 1 О,У,2.

0СН0Ш1 РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТЛ

I.Проведено анализ осноьних фхзичних принципов, покладьшш ь основу створення газочутлиьих напхэпрорхдникових структур для коа-' трольно-вим!равальнох техники. Показано, що найбхдьш перспективии« напрямком е створеннл газочутливих порбтворювачхв на основ! МОП-структур з вхд'смним опором, цо дозьоляе реал!эувати "Ытолекту-ельн!" перетворюиач! по стандартней трупов1Й технолог!! шляхов конструктивного !х об'еднання э ы1кропроцисорниии пристроями для по-передньо! обробки !нформацх!.

¡¿.Розроблен! матемитичнх модели функцхон.гльних перетвораиачхв нь основ i транаисуорних структур з в ад'емким опором, дослвдкйно

tinniia ¡сонтрольоьаних параметра середоьища на реактивну компоненту поаного опору. Показано, що висока чутлив1сть ека!валентн£}1 реактивности до концентрацй молекул газу покладена в основу стпо-реьня частотних гиэочутлияих функцхональних перетворювачхв, су-MiCHiix з мткроелектронною техноло^ею.

j. riiiKOHaiii експериментальнг доол1д»ення подтвердили ochobhï положения i резучьтати, отрима»п при тзоретичному aH&niai, ьияви-ли ïx adir в межах + 10/5, дозволили визначити метрологÎ4HÏ характеристики яапропонованих прнстро!в: меха вим!рюаакь.0-500 jtpm ,

иохибка вимхрюьпнь + 4%, температуры роботи-373 К - 423 К, робо-

4 7 3

ча частота 10-10 Гц, потулнкть споживання - 3,2'10 Вт. .

4.Aнaлiз рхзних схем включения i режим!в експлуатацН дозволив розробити ряд газочутлииих вим1рювальних перетворювач!в, э яких найбмыа перспективним е конструкц!я на ochobî двох ЫОН-тр&нзисторних структур за своеп твхнолог!чн1ст» i б!льга високим ступеней точност! вим1рювания.

5.Проведений теоретичнчй анач1з, побудована ф1зична модель взаемод!! газоиого середовища з метал1чною поверхнеи перетворювача, на основ i якоГ огримамi рхвняння перетворювання, эв'язуиш концентрацию молекул досл!джуваного газу з частотою renepauîï розроб-лених функцхональних перетворювачхв.

6.Розроблена окепериментальна установка по визначеннп кон-

центрацН молекул газу i параметр!» функц!ональних пвретворюваЧ1а

i j

на основi фазового методу в диапазон! 10-10 1"ц з точн!стю пиэ-начення концентрац^ молекул газу + а реактившх параметр!в + -1236.

7.Розроблен1 газочу «;hbî функц10нальн! ператворюнач! знай-шли эастосування при експрес-анал1э! газового ссродовшца на ВО "Мовтень" /м.йтнниця/.

Цсновний üMjcf дисертацИ ьхдображвпо ь слх.цумчих риботьх:__

I.Осадчук Е.В. Использование реактивных свойств одноперехо.1 ндго транзистора для создания газоьых датчиков. Актуальные проб; мы электронного приборостроения. Материалы всесоюзной научно-теэ нической конференции. -Новосибирск, 1990,-с.50.

?.Осадчук Е.В. Однопереходной транзистор с газочувствительной МДП-структурой, как датчик водорода. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и унравлзния. Материалы II всесоюзного совещания молодых ученых и специалистов. Гурзуф, 1990,- с.lad.

3.Осадчук Е.В. Полупроводниковые структуры с отрицательным сопротивлением в качестве газовых датчиков. Приборы с отрицательным сопротивлением и интегральные преобразователи на их основе. Материалы всесоюзной научно-технической конференции,-Баку, 1991, с.91.

4.Нкименко и.И., Селиванов С.А,, Осадчук Е.В. Пьезоэлектрические и сегнетрэлектрические материалы. Материалы всесоюзной научно-технической конференции. -Москва, 1991, C.-Ö-9.

5.Осадчук Е.В. Полупроводниковые газовые датчики на основе структур с отрицательным сопротивлением. Приборостроение -92. Материалы научно-технической конференции стран СНГ. -Керчь, 1992, с.57.

6.Осадчук Е.В. Полупроводниковое устройство для контроля газовой среды. Материалы научно-технической конференции стран CHI1 "Контроль и управление в технических системах". -Винница, 1992, с.-122.

7.Осадчук Е.В. Полупроводниковый датчик контроля параметров газовой среды. Материалы научно-технической конференции стран СНГ с международным участием "Измерительная техника в технологических процессах и конверсии производства". -Хмельницкий,1992.е.;

6.Скидан U.A., Осадчук B.0. Микропроцессорная обработка сигналов полупроводниковых датчиков состава газовых сред. Материалы всесоюзной научно-технической конференции "ИИС-85", -Винница, 1985. -с.170-171.

9.Якименко Ю.И., Осадчук E.BÍ Исследование возможности создания малогабаритных таердотельных датчиков для контроля•параметров газовой среды в замкнутом обьеме. Отчет по НИР. Деп. в УШШШМ, 1990 гос.pep. 0Ib900ai268-30.II.90'- 47с.

Ю.Осадчук Jü.tí. Контроль газовой среды на основе полевых транзисторов. Материалы научно-техничоской конференции стран СНГ с международным участием "Приборостровние-93 и нов^в информадион-ные технологии". - Николаев, 1993. -с.26.

И.Осадчук íi.tí. Газочупствительные сенсоры на основе структур с отрицательным сопротивлением. Материалы 2-ой научно-технической -конференции "Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производств". -Хмельницкий, 1993, -сЛЫ-182.

12.Икименло Ю.'И., Осадчук ti.В. Малогабаритные твердотельные датчики контроля параметров газовой среды. Рук.деп. вУКРНШНТИ, № 292-УК93,26.02.93-42с.

13.Положительное решение по заявке № 49bQ354/2ó /054709/ от 2b.0ti.92, WKrt bffOI N27/00. Газовый датчик /Осадчук Е.В., Освдчук B.C./ Заявлено 2..00.91.

14.Положительное рпионие по заявке № ч9Ь035Ь/25 /054710/ от 4.01.92, МКИ böOlN27/12. Устройство для измерения концентрации газа /Осадчук Е.В., Осадчук Б.С./ Заявлено 27.06.91.

ПйЧи'ГЬ о^нгпин

Буиага пыорра^скон

Эач. I. Tiij'- ICO

Подписано в печать 04.01.94г.

СКТБ "Модуль", Хмильншише шоссе 97а