CC BY
14
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали принципиальную возможность и целесообразность замены хлор-серебряного электрода более дешевым меднохлорсе-ребряным. В дальнейшем планируется усовершенствовать технологию электролитического осаждения серебряного и хлорсеребряного покрытий, а также устранить паяное соединение электрода с медным проводником.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Камман К, Работа с ионоселективными электродами. -М.: Мир, 1980. - 428 с.
2. Декларацшний патент № 5864 (УкраТна). Cnoci6 ви-готовлення xлoрcрiбнoгo шдикаторного електрода /
6. fl. lilBeub, B. M. MwxaMAiH, 0. C. TicArneHKo. - 2005. -Eioa. №3.-2 c.
3. A beginners guide to ion-selective electrode measurements [SAeKTpoHHbm pecypc] / Rundle C. C. - SAeKTpoH. AaH. - London, 2000. - PewMM AocTyna: http://www. nico2000.net/Book/guide1. htm. - 3arA. c 3KpaHa.
4. A. c. № 291141 (CCCP). Cnoco6 npMroTOBAeHMH xAopce-pe6paHoro MHAMKaTopHoro 3AeKTpoAa / B. M. neTpeH-ko, B. n. XpanaM, H. C. EaAaHAMHa. - 1971. - Eoa. № 3. -2 c.
HaAinm^a 20.04.05 nic^H Aopo6KH 8.10.05
npoeedeno nopienxmnuu anarn3 monnocmi ma eidmeo-pmeanocmi pe3yAbmamie euMipie npu euKopucmanni xxop-cpi6nozo ma po3po6xenozo naMu Midnoxxopcpi6nozo exeKm-podie.
A comparative analysis of accuracy and reproducibility of measurements' results for using an Silver/Silver Cloride electrode and new Copper / Silver / Silver Chloride one, which had been designed by us, is carried out.
УДК 621,3,049,77
E. Я. Швец, E. H. Киселев
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ДАТЧИКОВ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Предложены новая методика разработки и исследования интегрированных адаптивных датчиков на основе комбинированных твердотельных структур, к которым относится биполярный транзистор с полевым управлением (БТПУ). Исследования характеристик БТПУ показали их способность к адаптивному изменению электрических параметров. На базе предложенной методики разработаны и исследованы конструкции датчиков мощности излучений.
варительные исследования которого [1] показали возможность его использования в качестве основы для интеллектуальных сенсоров. Таким образом, представляет интерес дальнейшее исследование характеристик БТПУ, ДМИ на его основе и разработка методов и средств автоматического регулирования чувствительности.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов измерительной техники обуславливает необходимость в создании новых датчиков мощности излучений (ДМИ). При этом, основные усилия изготовителей направлены на снижение инерционности, повышение чувствительности, увеличение динамического диапазона при сохранении высокого коэффициента поглощения. С этой точки зрения перспективным является обеспечение адаптивной настройки чувствительности пироэлектрических приемников.
Создание ДМИ, реализующих функции адаптивной настройки делает актуальными изучение возможности интеграции пироэлектрических преобразователей с твердотельными полупроводниковыми приборными структурами, к которым относится биполярный транзистор с полевым управлением (БТПУ), пред© Швец Е. Я., Киселев Е. Н., 2005
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Схемные решения предварительной обработки в современных ДМИ реализуются путем интеграции отдельных функциональных элементов в микроэлектронные конструкции сенсоров. Поэтому предпочтительным представляется схема обработки, которая обладала бы следующими характеристиками [2]:
- высоким входным сопротивлением, с возможностью адаптивного изменения в процессе функционирования ДМИ, для лучшего согласования выходного сопротивления пироэлектрического сенсора с входным сопротивлением схемы обработки и обеспечения высокого уровня чувствительности по напряжению;
- высоким коэффициентом усиления для получения высокого уровня выходного сигнала ДМИ;
- автоматическом регулировкой усиления схемы обработки для снижения уровня искажений выходного сигнала пироэлектрического сенсора;
- малым количеством элементов схемы предварительной обработки для упрощения ее интеграции в структуру ДМИ;
- возможностью сопряжения по уровню сигналов с цифровыми измерительными системами;
- включение в схему элементов, обеспечивающих с помощью системы обратной связи, адаптивной настройки характеристик ДМИ.
Исходя из вышесказанного, рациональным представляется решение следующих задач:
- исследование БТПУ для создания математических моделей ДМИ, определение управляющих параметров в структурах ДМИ;
- синтез конструкций пироэлектрических ДМИ на основе БТПУ;
- исследование на основе математического моделирования и макетирования возможности адаптации предлагаемых датчиков к величине мощности излучений.
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Для разработки датчиков на основе БТПУ нами предложена методика синтеза конструкций и моделей, согласно которой выделяется 3 уровня исследований, соответствующих подсистемам чувствительного элемента (ЧЭ) - поглотителя излучений, управляющего элемента (УЭ) - пироэлектрического преобразователя и исполнительного элемента (ИЭ) - БТПУ. При этом, исследование БТПУ с помощью программ схемотехнического моделирования позволяет минимизировать затраты вычислительных ресурсов, без ухудшения точности полученных результатов.
Анализ физических процессов в БТПУ проводился на основе разработанной схемотехнической модели (рис. 1). Определение параметров элементов схемы замещения БТПУ выполнялось согласно [3]. Адаптация модели для пакета программ МАЭС-П позволила получить и исследовать входные, выходные и передаточные характеристики БТПУ.
Установлено, что выходной ток БТПУ зависит от величины тока базы и потенциала полевого электрода. При величине напряжения на затворе, больше пороговой, в базовой области образуется проводящий канал, шунтирующий биполярную часть. В результате выходной ток БТПУ изменяется (рис. 2). Ток подложки (базы), протекающий параллельно току канала, вызывает перераспределение потенциала подложки, что не только изменяет пороговое напряжение МОП-структуры, но и величину тока коллектора (стока). В результате
Рисунок 1 - Эквивалентная схема БТПУ:
1 - затвор; 2 - эмиттер (исток); 3 - коллектор (сток); 4 - база (подложка)
Рисунок 2 - Зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при различных напряжениях на затворе БТПУ
этого выходные характеристики переходят в режим насыщения при больших значениях напряжения ик и ток, протекающий в выходной цепи, имеет большую величину, чем в классическом биполярном транзисторе. Этот механизм обуславливает возможность создания адаптивных датчиков на основе БТПУ.
Проведен анализ адекватности результатов исследований на основе моделирования выходных характеристик БТПУ согласно разработанной модели с помощью программных средств М1сго81т 8.0 (Р8Р1СЕ 8.0) и МиШ81т 6.01. Установлено, что характеристики, полученные в системе МАЕС-П практически полностью идентичны зависимостям, рассчитанным по многоуровневым моделям полупроводниковых компонентов из библиотек других пакетов программ. Использование МиШ81т 6.01 для исследования БТПУ показало более высокую степень расхождения результатов с другими тестовыми системами, т. к. вычислительные алгоритмы в системе МиШ81т 6.01-Е1ес1гошс8 ШогкБепсЬ обладают большей простотой, а используемые модели не учитывают особенностей малосигнальных режимов работы компонентов. Качественно результаты исследо-
ваний совпадают для всех трех программных средств, а наблюдаемые количественные различия объясняются различными уровнями описания моделей биполярного и МОП-транзисторов в системах М1сго81т 8.0 и МиШБт 6.01.
Установлено, что полученные характеристики коррелируют с характеристиками наиболее близких к БТПУ приборных полупроводниковых структур -ТЮБТ. Вместе с тем, полученные характеристики БТПУ подтвердили теоретические предпосылки о возможности автоматической подстройки ее параметров. Следовательно, такую структуру можно использовать как основу для построения адаптивных ДМИ, а разработанную модель расширить до модели ДМИ.
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ДАТЧИКОВ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Разработана обобщенная конструкция ДМИ, приведенная на рис. 3. ДМИ содержат ЧЭ, УЭ в виде пленки пироэлектрика и ИЭ в виде БТПУ. Работа ДМИ сопровождается изменением выходного параметра ИЭ в результате изменения потенциала на одном из электродов БТПУ, электрически соединенном с пироэлект-риком. Нагрев пироэлектрика происходит за счет преобразования мощности сигнала в теплоту с помощью ЧЭ. Оценка чувствительности подсистемы датчика «поглотитель + пироэлектрик» показала, что для ДМИ, работающего в квазистационарном режиме, ин-
излучение
Рисунок 3 - Обобщенная схема ДМИ
тенсивность волны, вызывающая повышение температуры на 1 К зависит от теплопроводности среды в корпусе; размеров датчика; отношения полной площади поверхности датчика к площади поглощающей поверхности и от эффективного коэффициента отражения излучения ДМИ.
Разработана структура ДМИ, показанная на рис. 4, согласно которой измерительный преобразователь содержит подложку 1, из кремния и-типа с ориентацией (100), на которой выполнена изопланарная транзисторная структура с боковой 8Ю2-изоляцией. В ней с помощью анизотропного травления выполнен паз 2, дно которого расположено в области коллектора 3, а области базы 4 и эмиттера 5 ограничены одной из
в)
Рисунок 4 - Варианты структур ДМИ
стенок паза, на стенках паза сформирован слой 5Ю2 6 и дополнительный полевой электрод-затвор 7. На коллекторный контакт 8 последовательно наносятся слои пироэлектрика 9 и металлоуглеродного композита 10, осуществляющие преобразование мощности сигнала.
Разработаны несколько видов конструктивно-технологического исполнения ДМИ (рис. 4):
а) с ЧЭ и УЭ в цепи коллектора БТПУ (рис. 4, а);
б) с ЧЭ и УЭ в цепи затвора БТПУ (рис. 4, б);
в) с ЧЭ и УЭ в цепи базы БТПУ (рис. 4, в).
Показано, что в ДМИ реализуются три режима работы:
а) режим непосредственного измерения амплитуды выходного сигнала;
б) режим выбора вида выходной характеристики ДМИ;
в) режим модуляции выходного сигнала.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ДАТЧИКОВ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Проведен анализ исследуемых ДМИ в пределах длительности активного импульса падающего излучения. С учетом того, что поглощаемую пироэлектрическим приемником мощность излучения W можно представить, как сумму мощности, затрачиваемой на переполяризацию пироэлектрика, расположенного между ЧЭ и ИЭ, и мощности, рассеиваемой датчиком путем излучения и теплопроводности, математическая модель преобразования сенсора может быть представлена в виде:
гр = W -у ехр ,
(1)
где 1р - пироэлектрический ток СМИ; у = р П - Т;
Ь -время; т - постоянная, не зависящая от температуры и времени; р - пироэлектрический коэффициент; А - площадь ЧЭ; п - коэффициент эмиссии; а - коэффициент, характеризующий теплоотдачу посредством теплопроводности и излучения.
С целью усиления выходного сигнала и адаптации измерительного преобразователя к внешнему воздействию, был использован БТПУ. Рассмотрены схемные решения с подключением ЧЭ и УЭ в цепь затвора БТПУ и с подключением ЧЭ и УЭ в цепь базы БТПУ. Особенностью первого варианта является то, что эквивалентная схема сенсора включает в себя схему замещения БТПУ, в цепь затвора которой введен источнику пироэлектрического тока и конденсатор С , характеризующий собственную емкость подсистемы «ЧЭ+УЭ» сенсора. Ток источника ]р описывается уравнением (1), а емкость С рассчитывалась по формуле плоского конденсатора. В процессе моделирова-
ния датчика с помощью пакета программ МАЭС-П сделан вывод о том, что рассматриваемый вариант датчика следует использовать в качестве порогового элемента, реагирующего на задаваемую величину мощности излучения (рис. 5). Считая, что включение датчика происходит в момент появленияизлучения, выражение для пороговой мощности срабатывания датчика WпOр можно представить в виде:
2
т -е - е 0 - а / 2 ^ОР = уТ^2' 4 - 3-е-иБЭ
(2)
где е - относительная диэлектрическая проницаемость пироэлектрика; е0 - абсолютная диэлектрическая про-
Рисунок 5 - Зависимость выходного тока датчика с подключением подсистемы «ЧЭ+ПЭ» в цепь затвора
БТПУ от мощности излучения: а — отсутствие тока настройки; б — ток настройки равен 50 мкА
Рисунок 6 — Зависимость выходного тока датчика с подключением подсистемы «ЧЭ+УЭ» в цепь базы БТПУ от величины мощности излучения
ницаемость вакуума; 0 - поправочный коэффициент; ^БЭ - напряжение база-эмиттер в БТПУ; 5 - толщин апироэлектрика.
Из (2) следует, что, порог срабатывания датчика можно регулировать, изменяя потенциал базы БТПУ.
Особенностью датчика с подключением подсистемы «ЧЭ+УЭ» в цепь базы первого варианта датчика является соединение источника пироэлектрического тока с базой БТПУ. При этом настройку ДМИ осуществляют путем изменения напряжения затвор-эмиттер. Результаты расчетов приведены на рис. 6.
Анализ полученных данных показал, что сигнал пироэлектрического тока усиливается БТПУ. Форма выходного сигнала датчика коррелирует с формой импульса тока пироэлектрика. Увеличение регулировочного потенциала затвора не искажает формы выходного импульса при росте величины выходного тока. Таким образом, решается проблема усиления импульса тока пироэлектрика, но остается необходимость в дальнейшем преобразовании выходного импульса.
Выполнена проверка адекватности моделирования ДМИ на макетном измерительном стенде. Измерения проводились для выходных характеристик при 1б = = 50 мкА; передаточных - при ^кэ = 0,8 В. Статистическая обработка результатов измерений проводилась с использованием программы статистической обработки данных 8ТАТ18ТИКА 2.2. Максимальное значение среднеквадратичной ошибки не превышает 2,64-10-4 А2 при измерении зависимости от напряжения питания и 4,55-10-5 А2 при измерении зависимости от тока базы, а все полученные величины не выходят за пределы 95 % - интервала надежности. Аппроксимирующие кривые, математически описываются степенными многочленами различного порядка. Выбор порядка аппроксимирующего уравнения производился из соображения наиболее близкого расположения аналитических и экспериментальных точек. В результате, только некоторые из экспериментальных значений не совпадают с регрессионной кривой при уровне надежности 95 %. Поэтому можно сделать вывод об удовлетворительном соответствии при использовании для регрессионного анализа степенных многочленов, целью которого является точное определение коэффициентов регрессионных моделей.
Рисунок 7 - Схема технологического процесса производства интегрального датчика мощности
Пленки РЬТЮз (РОТ) изготавливались на основе модифицированного золь - гель метода. Отличительными особенностями используемого метода являются: проведение всех термических операций в воздушной атмосфере; время хранения исходного раствора компонентов - до 6 мес.; исключение проведения частичного гидролиза в атмосфере чистого азота; отсутствие в хранящихся растворах азотной кислоты, используемой, для избежания преждевременной гелизации. При создании ДМИ на первый план выходит проблема физико-химического и механического взаимодействия пироэлектрического слоя с окружающими материалами, т. к. это может привести, с одной стороны, к ухудшению характеристик пироэлектрического преобразователя, а с другой - к деградации активных полупроводниковых структур. Поэтому технологическая схема изготовления ДМИ исключает процессы высокотемпературного отжига после создания пленки пироэлектрика.
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ДАТЧИКОВ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Обобщенная последовательность изготовления интегральных измерительных преобразователей приведена на рис. 7, где известные технологические операции создания БТПУ, дополняются нанесением слоя пироэлектрика. В качестве пироэлектрика исследовались материалы семейства перовкситов. Для толстых слоев пироэлектрика использовалась Р7Т-керамика - РЬТЮз.
ВЫВОДЫ
Предложены и исследованы конструкции датчиков мощности излучений на основе биполярного транзистора с полевым управлением. Эти датчики включают функционально интегрированные подсистемы поглотителя излучения, преобразователя энергии излучения на основе пироэлектрика и биполярный транзистор с полевым управлением в качестве исполняющего и управляющего элемента.
Исследования характеристик разработанных датчиков показали возможность адаптивной регулировки их чувствительности в зависимости от уровня мощности излучения путем изменения условий прохождения электрического тока в биполярном транзисторе с полевым управлением. В результате предложены следующие методы измерения мощности излучения на основе различных способов соединения пироэлектрического преобразователя и биполярного транзистора с полевым управлением датчиков - регистрация превышения контролируемым излучением заданного порогового значения мощности и измерение мощности излучения путем определения амплитуды выходного импульса тока ДМИ.
Разработанные ДМИ характеризуются адаптивной регулировкой чувствительности в пределах 0,1257,5 мА/мкВт для варианта включения подсистемы «ЧЭ+УЭ» в цепь затвора БТПУ, и 0,267-1 мА/Вт для варианта включения подсистемы «ЧЭ+УЭ» в цепь базы БТПУ. Динамика изменения выходного тока ДМИ показывает, что первый вариант является бинарным датчиком, а второй - аналоговым. Эти результаты позволяют использовать пироэлектрические ДМИ для создания высокоточных автоматизированных контрольно - измерительных систем, не требующих охлаждения датчиков.
Исследования макетов БТПУ и ДМИ показали адекватность результатов исследований разработанной модели ДМИ. Кроме того, это показывает возмож-
ность реализации исследуемых ДМИ как в рамках технологии кремниевых ИС, так и с заменой вертикальной интеграции на горизонтальную в рамках технологии гибридных микросборок и модулей.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Костенко В, Л, Комбинированные твердотельные структуры и микроэлектронные измерительные преобразователи. - Запорожье: Издательство ЗГИА, 1997. -109 с.
2. Кременчугский Л, С, Сегнетоэлектрические приемники излучений. - К.: Наукова думка, 1971. - 235 с.
3. Костенко В, Л,, Киселев Е, Н,, Глазеева О, В, Исследование Би-МОП структуры для интегрированных датчиков мощности излучений // Холодильна техшка i техно-лопя. - 2004. - № 5 (91). - С. 92-97.
Надшшла 22.03.05 Шсля доробки 14.10.05
Запропоновано нову методику розробки i досл1дження ттегрованих адаптивних датчикiв на основi комбтова-них твердотiльних структур, до яких вiдноситься бiпо-лярний транзистор з польовим керуванням (БТПК). До-слiдження характеристик БТПК\ показали ¿х здiбнiсmь до адаптивноi змiни електричних парамеmрiв. На базi за-пропонованоЧ методики розроблет i дослiдженi конструк-цп датчи^в поmужносmi випромiнювань.
New method of development and research of integrated adaptive sensors based on the combined solid state\ structures, to which a field controlled bipolar transistor (FCBT), are offered. Researches FCBT characteristics showed their ability for the adaptive change of electric parameters. Developed and investigational construction of power radiation sensors based on the offered method.
