CC BY
1
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.315.592
РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНО1 СИСТЕМИ ПОПЕРЕДНЬО1 ОБРОБКИ СИГНАЛ1В З МАТРИЧНИХ СЕНСОР1В НА ПОРУВАТИХ НАП1ВПРОВ1ДНИКАХ
ОКСАНИЧ А. П., ПРИТЧИН С. Е, КОГДАСЬ М.Г., МАЩЕНКО М.А.,
ОСТРЖОВСЬКА Д. А._
Пропонуеться нова структура сенсору газу у виглад матрищ, а також розробляеться система обробки пер-винних сигнув сенсорiв r83ÍB на поруватих нашвпроввдниках. Визначаеться характеристики матричного сенсору. Встановлюеться, що поруватiсть чутливого до водню контакту Pd / por-GaAs дiода Шотткi впливае на швидшсть i чутливiсть сенсора. Пори в сенсорi Pd / por-GaAs збшьшують швидкiсть проникнення водню в порiвняннi з контактом Pd/GaAs.
Ключовi слова: дюд Шоттк1, матричний сенсор, по-
руватий GaAs, контролер.
Key words: S Schottky diode, matrix sensor, porous
GaAs, controller.
1. Вступ
Для контролю технолопчних середовищ та без-пеки виробництва необхiднi сенсори концентрацп ra3ÍB. Сьогоднi для цих цшей широко використо-вуються сенсори на основi напiвпровiдникiв. Недолiком таких сенсорiв е недостатньо високий дiапазон робочих температур, !х низька селек-тившсть i стабiльнiсть. Особливо перспективни-ми е розробки на поруватому GaAs, оскшьки робота напiвпровiдникового сенсора тим ефек-тивнiше, чим бшьше розвинена поверхня криста-лу. Одним iз напрямкiв застосування поруватого GaAs е виготовлення сенсорiв газу, яю можуть працювати при кiмнатнiй температурi i мають пiдвищену швидкодiю [1-4]. Незважаючи на iнтенсивне дослiдження власти-востей поруватого напiвпровiдника, таких як емшсть, електропровiднiсть, фотолюмiнiсценцiя та велика площа питомо! поверхнi, що забезпечуе високу xÍMÍ4Hy актившсть матер1алу до i теля впливу газових середовищ, сенсорш, оптичш та електроф1зичш властивосп вивчеш недостатньо. Тому виникае необхщшеть отримання параметр i в контакту IIIottkí, яю в свою чергу визначаються його вольт-амперними характеристиками (ВАХ). Створення таких сенсор1в актуальне, адже дозволить виршувати комилексну задачу мошторингу атмосфери, контроль технолопчних середовищ i безпеки промислового виробництва з викори-станням пристро1в електрошки [5 - 7].
2. Постановка задачi
Розробленi ранiше автоматизованi комплекси дозволяють проводити вимiрювання параметрiв нашвпровщникових структур, однак використанi для його реалiзащl вимiрювальнi методики та !х схемотехнiчнi рiшення мають низьку часову стабшьшсть, високу чутливiсть до стану навко-лишньо! атмосфери i невисоку точшсть вимiрювання електричних величин. Мета роботи полягае у пiдвищеннi точносп ро-зрахунку параметрiв сенсорiв газiв та збiльшеннi достовiрностi отримано! шформацп. Для досягнення ц1е! мети поставлеш та розв'язанi такi задачi:
- аналiз сенсорних елементiв на основi поруватих плiвок GaAs;
- аналiз методiв визначення вольт-амперних характеристик (ВАХ);
- розробка структури та алгоритму роботи систе-
ми;
- розробка управляючого програмного забезпе-чення;
- визначення характеристик отриманих сенсорiв.
3. Розробка структури сенсору та системи обробки первинних сигналiв
Щц термiном матричний сенсор будемо розумгти об'еднання групи сенсорiв, виготовлених на однiй шдкладщ поруватого напiвпровiдника (рис. 1). При виготовленш матричного сенсора на пластину нашвпровщшка з тшьно! сторони наносять контакт АиЮе-№-Аи, а з протилежно! формують сiм шарiв поруватих нашвпровщниюв дiаметром 10 мм, з однаковими режимами травлення. На кожен поруватий шар напиляють контакт Pd дiа-метром 3 мм.
Рис. 1. Схематичне зображення мультисенсора Конструктивне виконання сенсора газу на поруватому арсенщ гал1ю наведено на рис 2. Для рсалпацп селективносп сенсора в конструкцп використовуеться селективна мембрана.
Рис. 2. Конструкщя сенсора газу з використанням pGaAs на 6a3i дюда IIIottkí
Для калiбрування та проведения випробувань ви-користовувався стенд, який дозволяе подавати як один газ, так i сумш газiв, контролювати концен-трацш газу i будувати вольтампернi характеристики. Для калiбрування сенсора всередиш колби створюеться вакуум до 10-3. Швидюсть потоку газу пiдтримувалася постшною 0,3 л/хв. Для впливу газу на сенсор вш мiстився на вбудованш в колбi диск на^вача, його електроди з'еднувалися iз зовшшшми контактами платино-вими стяжками. Пюля впорскування газу в колбу ^зь витратомiр вимiрювалися вольт-амперш характеристики, чутливють i час вiдгуку сенсора при рiзних температурах, а потiм порiвнювалися з результатами, отриманими у раз1 вакууму [8] (рис. 3).
Рис. 3. Схема системи дослщження роботи сенсор1в газт на поруватих нагпвпровщниках
Весь процес автоматизацн визначення та анал1зу параметрiв сенсорних елеменпв можна роздiлити на три етапи: узгодження сигналiв, формування моделей, збереження i виведення даних. Елек-тричиа структурна схема системи показана на рис. 4.
Блок жпвлення
Сенсор Пере- Фпьтр Фпьтр
ту -* творю- 2-го п. 2-го п. АЦП
на ПН вач (1) (2)
Вшмрювальна камера
4...20 мА
Сенсор температур»
Перетворювач
струмова петля-напрута
MiKpo-контролерна система
ПК
Система пода>п водню
Релейно-контактна схема
Клапан Клапан Клапан
Система регульованого _приводу_
~Е=
АД приводу компресора
Рис. 4. Структурна схема системи обробки первинних сигнал1в сенсор1в газ1в на поруватих натвпровщниках
Апаратна частина комплексу включае:
- вимiрювальну камеру;
- сенсорний елемент на 0CH0Bi дiодiв Шотткi, що утворюеться поруватими пшвками GaAs, сенсори тиску та газу, сенсор струму та напруги;
- блок узгодження та управлшня, що включае перетворювач штерфейав;
- пристрш збору даних;
- комп'ютер з програмним забезпеченням та послiдовним штерфейсом USB.
До мiкроконтролерноi системи послщовно пiдключений перетворювач iнтерфейсiв «струмова петля-напруга» та сенсор струму та напруги по штерфейсу 12С. Блок узгодження та управлшня забезпечуе регулювання клапанiв, двигуна насоса при надходженш необхiдного значення сигналу для вщкачування i напуску атмосфери. Як об'ект вимiрювань використовуеться сенсорний елемент на основi дiодiв Шотткi, заснований на метод1 прямого перетворення.
4. Програмно-техшчне рiшення для матрич-них сенсорiв
Для системи обробки первинних сигналiв сен-сорiв газiв на поруватих нашвпровщниках в сере-довипц моделювання Б1агиМЬ була спроектована иМЬ-д1аграма клаав модел1 системи, що показано на рис. 5.
Сенсор тиску Сенсор газу
+Повернення значення() +Повернення значення()
Сенсор газу на ПН
+Повернення значення()
Перетворювач
+Обробка сигналу() +ОбмЫ даними()
4_£
Перетворювач
+Обробка сигналу() +ОбмЫ даними()
Система управлiння Система вiдображення даних
+ppm: Сенсор тиску* +int n, Фв
+Ом: Сенсор газу* +IV: Сенсор газу на ПН* +arr IV
—> +Розрахунок napaMeTpiB() +Побудова графiка()
+Повтря() +Вакуум() +Водень()
Рис. 5. UML-дiаграма класiв На дiаграмi основним класом е «Система управлшня», який здшснюе регулювання подач1 водню, вв1мкнення або вимкиения вакуумного насосу. Для отримання вимрювань використовуються класи «Сенсор тиску», «Сенсор газу», «Сенсор газу на ПН». ПН ел я опитування сенсор1в створю-ються об'екти клаа в, а попм передаються на вхщ як вимряш параметри класу «Перетворювач». Ц1 класи мають вщношення «агрегащя». Система управлшня приймае дат з перетворювач! в, тому класи мають зв'язок «узагальнения». Параметри використовуються для реал1защ1 метод1в класу «Система вщображення даних», класи знаходять-ся у вщношенш «асощащя». иМЬ-д1аграма дгялъностг. Алгоритм роботи про-грами був роздшений на два р1вш - вершй та нижнiй. Алгоритм роботи верхнього рiвня показано на рис. 6.
1. Початок роботи програми.
2. Пюля початку роботи програми перевiряемо, чи ввiмкнено режим «Вакуум». Якщо так, то за-даемо значення вакуума, якщо т - перевiряемо, чи ввiмкнено режим «Повгтря».
3. Пiсля задання значення вакуума переходимо до пункту 6.
4. Якщо ввiмкнено режим «Повгтря», то переходимо до пункту 6.
5. nepeBipHeMO, чи BBiMKHeHO режим «Водень». Якщо так, то задаемо концентращю водню (Н2), якщо Hi - переходимо до пункту 10.
6. Проводимо установку значень имакс, UMiH, Шрок.
7. Передаемо данi на мшроконтролер (МК).
8. Проводимо зчитування даних з мшроконтро-лера (МК).
9. Якщо пepeвipeнe значення вщповщае умовi ивим > имакс, то програма розраховуе параметри дiоду Шоттю та будуе гpафiк ВАХ.
10.Пepeвipяeмо, чи натиснута кнопка «Стоп». Якщо так, то завершуемо програму, якщо ш -переходимо до пункту 2.
1нщвлваци [водень] [вакуум] ,
Установка концентрацп Н2
Установка значення вакуума
Установка Umin, Umax, Ustep Передача даних на МК
[ивим <= Umax]
Розрахунок параметрiв
, Г
Побудова графiку [повторити]
[зупинити]
Г)
Рис. 6. UML-дiаграма дшльносп верхнього рiвня
Алгоритм роботи нижнього рiвня показано на
рис. 7.
1. Початок роботи програми.
2. Пюля початку роботи програми перевiряемо, чи ввiмкнено режим «Вакуум»? Якщо так, то вишрюемо значення вакуума, якщо ш - ви-конуемо пункт 5.
3. Перевiряемо, чи вщповщае вишряне значення вакуума умовi Рвим > 10-3. Якщо так, то вми-каемо вакуумний насос, якщо ш - вимикаемо його.
4. Закриваемо клапан.
5. Перевiряемо, чи ввiмкнено режим «Повпря». Якщо так, то виконуемо пункт 4.
6. Перевiряемо, чи ввiмкнено режим «Водень». Якщо так, то виконуемо пункт 7.
7. Починаемо подачу водню.
8. Якщо юльюсть водню вщповщае умовi Н2вим < Н2зад, то виконуемо пункт 7, якщо ш - ви-микаемо насос та закриваемо клапан.
9. Проводимо установку значень имакс, имш, икрок.
10. Проводимо зчитування значень напруги (и) та струму (I) з МК.
11. Даш з МК передаемо на комп'ютер.
12. Перевiряемо, чи натиснута кнопка «Стоп». Якщо так, то завершуемо програму, якщо ш -переходимо до пункту 2.
Комплекс забезпечуе виконання таких функцш:
- вишрювання ВАХ сенсорiв газiв на основi по-руватих плiвок GaAs;
- розрахунок параметрiв дiоду Шоттю;
- збiр i зберiгання отриманих даних;
- представлення отримано! шформацп у графiч-ному i цифровому виглядг
1нтерфейс програми мае 2 вкладки, що показано на рис. 8, 9. Графш ВАХ на вкладщ в «Умови вимiрювання» вщображаеться в режимi реального часу. На вкладщ в «Результат розрахунюв» вщображаеться графш ВАХ в напiвлогарифмiч-ному режимi, а також значення розрахованих па-раметрiв коефiцiента щеальносп, послiдовного опору та висоти бар'еру Шоттю.
Установка кощентрацп Н2
1нцйлвац1я день]^^~-ч^ [вакуум]
Подача водню
[Н2вим<=Н2зад ]
]
Вимрюван!
[Рвим>=10(-3)] Ввмкнення вакуумного н
L
Вимкнення вакуумного насоса
Закриття клапану
[ Установка Umin, Umax
, UstepPj
Г Зчитування U, I )
\ (
Передача даиих на ПК
Рис. 7. UML-дiаграма дальност нижнього piBHH
Автоматизована система визначення ВАХ сенсорних елемекпв
Умови вимфювання I Результат розрахунюв
Встановлення режиму роботи
Водень
зооуС \ ,800
200' J "900
100 1000
1400 ppm
Bn6ip порту
1|%сомз О
Рис. 8. Лицьова панель. Вкладка «Умови вимiрювання»
Автоматизована система визначення ВАХ сенсорних елеменпв
Умови вим1рювання Результат розрахунмв I Новий файл I î C:\Use..AdatalVjcIs | Записуфа»
ЗО
1-1 0,10,010,001-ç 0,0001-
m 1Е-5-- 1Е-6-1Е-7-1Е-8-1Е-9-1Е-10-'
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Напруга, В
0,7 0,8 0,9 1
в 0,68
Рис. 9. Лицьова панель. Вкладка «Результат розрахуншв»
Основш характеристики для отриманого сенсора подано в таблищ. Основною перевагою отриманого сенсора е можливють його роботи без нагр1вальних елеменпв.
Характеристики сенсор1в газ1в з pGaAs на основ1 дюда
Шоттк1
Параметри Непорувап ^îbkh GaAs Матричний сенсор
Чутливють, % 0 93,5 - 87,1
Час ввдгуку, с 1,5 Менше 1 с - 1,2 с
Робочий даапазон, 0С +20...+50
Ддапазон концентрацш водню, ppm 100-1000
Робоча волопсть, % 20~90%
Ввдносна похибка вимМрювання, % 10
Експериментальнi результати довели, що чут-ливiсть поруватого зразка значно вища, нiж у не-поруватого. Це може вщбуватися завдяки бiльшiй кiлькостi адсорбованих атомiв на меж подiлу поруватого зразка порiвняно з непоруватим. Ми порiвняли змiни одночасно у Pd/GaAs i Pd/pGaAs зразках у разi вiдсутностi та присутностi га-зоподiбного водню. 5. Висновки
При розробщ iнформацiйно-вимiрювальноï системи були виршеш такi задачi:
1. Забезпечено наочнють i доступнiсть отримання iнформацiï для вивчення електричних характеристик сенсорних елеменпв та виконання до-слщжень.
2. Досягнуто вiдносно низьку вартють комплексу i можливiсть його реатзацп в умовах освiтнiх установ для виршення науково-дослiдних i нав-чальних завдань.
3. Надано гнучку можливють доопрацювання i змiни програмного забезпечення комплексу для нових задач до^дження, реалiзацiï рiзних алго-ритмiв обробки сигнатв та подання iнформацiï.
Встановлено, що поруватють чутливого до водню контакту Pd / por-GaAs дюда Шоттю впливае на швидкють i чутливють сенсора. Пори в сенсорi Pd / por-GaAs збiльшують швидкють проникнення водню в порiвняннi з контактом Pd/GaAs.
Литература: 1. Лукаш С.И., Алрс Х., Райш Р. Исследование изменения параметров сенсоров в устройстве газового анализатора в процессе измерений // УСиМ. 2001. № 3. С. 279-285. 2. Таланчук П.М., Мороз О. С. Теорiя нашвпровщникових сенсорiв. Ч. 1. К., 1997. 56 с. 3. АлерсХ., Гладун В., Лукаш Л., Лукаш С. Принципы формирования пространства признаков для задачи распознавания газов в атмосфере при помощи программного обеспечения "CONFOR" // Искусственный интеллект. Донецк, 1999. № 2. С. 386-391. 4. Лукаш С.1. Перетятько В.Ю. Комп'ютерна програма попе-редньо! обробки даних. Сввд. ПА № 4461 ввд 03.07.2001. 5. Erlebacher J., Sieradzki K. and Searson P.C. Computer-Simulations of Pore Growth in Silicon // I Appl. Phys. 1994. V.76, №1. P.182-187. 6. Aukkaravittaypun S., Thanachayanont C., Theapsiri T., Veerasai W., Sawada Y., Kondo T., Tokiwa S., Nishide T. Temperature programmed desorption of F-doped SnO2 films deposited by inverted pyrosol technique // Jour. of Thermal Analysis and Calorimetry. 2006. Vol.85. №3. P.811 - 815. 7. МарковХ.М. Оксид азота и оксид углерода - новый класс сигнальных молекул // Успехи физиологических наук. 1996. № 4. С. 30 - 43. 8. Olowolafe J. O., Ho P. S., Hovel H. J., Lewis J. E., and Woodall J. M. Contact reactions in Pd/GaAs junctions // Appl. Phys. 1979. №50. С. 955-962. Transliterated bibliography:
1. Lukash S.I., Alrs Kh., Rajsh R. Issledovanie izme-neniya parametrov sensorov v ustrojstve gazovogo ana-lizatora v proczesse izmerenij // USiM. 2001. # 3. S. 279-285.
2. Talanchuk P.M., Moroz O.S. Teoriia napivprovidny-kovykh sensoriv. Ch. 1. K., 1997. 56 s.
3. Alers Kh., Gladun V., Lukash L., Lukash S. Princzi-py' formirovaniya prostranstva priznakov dlya zadachi raspoz-navaniya gazov v atmosfere pri pomoshhi pro-grammnogo obespecheniya "CONFOR" // Iskusstvennyj intellekt. Doneczk, 1999. # 2. S. 386-391.
4. Lukash S.I. Peretiatko V.Iu. Kompiuterna prohrama poperednoi obrobky danykh. Svid. PA № 4461 vid 03.07.2001.
5. Erlebacher J., Sieradzki K. and Searson P.C. Computer-Simulations of Pore Growth in Silicon // I Appl. Phys. 1994. V.76, №1. P.182-187.
6. Aukkaravittaypun S., Thanachayanont C., Theapsiri T., Veerasai W., Sawada Y., Kondo T., Tokiwa S., Nishide T. Temperature programmed desorption of F-doped SnO2 films deposited by inverted pyrosol technique // Jour. of Thermal Analysis and Calorimetry. 2006. Vol.85. №3. P.811 - 815.
7. Markov Kh.M. Oksid azota i oksid ugleroda - novy'j klass signaTny'kh molekul // Uspekhi fiziologicheskikh nauk. 1996. # 4. S. 30 - 43.
8. Olowolafe J. O., Ho P. S., Hovel H. J., Lewis J. E., and Woodall J. M. Contact reactions in Pd/GaAs junctions // Appl. Phys. 1979. №50. С. 955-962.
Надшшла до редколегп 10.12.2019 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Гученко Н.И. Оксанич Анатолш Петрович, д-р техн. наук, про-фесор, директор НД1 технологи напiвпровiдникiв i iнформацiйно-управляючих систем КрНУ iM. М. Остроградського, завщуючий кафедрою автоматиза-цИ та шформацшних систем. Науковi iнтереси: мето-ди i апаратура контролю структурно-досконалих нашвпроввдникових монокристалiв, поруватi напiвпровiдники. Адреса: Укра1на, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел. (05366) 30157. E-mail: [email protected].
Притчин Сергш Емшьйович, д-р техн. наук, доцент, проф. кафедри автоматизацп та iнформацiйних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi ште-реси: автоматизацiя процесiв управлiння вироб-ництвом напiвпровiдникових матерiалiв. Адреса: Украша, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected].
Когдась Максим Григорович, канд. техн. наук, доц. кафедри автоматизацп та шформацшних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi штереси: ав-томатиза^ процеав управлiння виробництвом напiвпровiдникових матерiалiв. Адреса: Украша, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected] Мащенко Михайло Анатолieвич, аспiрант кафедри автоматизацii та шформацшних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi iнтереси: автоматизацiя процесiв управлшня виробництвом нашвпровщнико-вих матерiалiв. Адреса: Украша, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел. (05366) 30157. Остршовська Дар'я Анатолпвна, магiстр кафедри автоматизацп та шформацшних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi iнтереси: автоматиза^ процесiв управлiння виробництвом нашвпроввднико-вих матерiалiв. Адреса: Украша, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел. (05366) 30157.
