Лабораторный практикум по курсу «Датчики на основе микро- и нано- технологий». Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Б.И. Подлепецкий, С.В. Гуменюк, М.Ю. Никифорова, Н.Н. Самотаев

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

Учебное пособие

Москва 2010

УДК 621.382(076.5) + 621.397.4(076.5) ББК 32.844.1.я7 + 32.94я7 П94

Подлепецкий Б.И., Гуменюк С.В., Никифорова М.Ю., Самотаев Н.Н. Лабораторный практикум по курсу «Датчики на основе микро- и нанотехнологий». Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. – 56 с. В практикуме содержатся введение и восемь лабораторных работ. Приведены описания измерительных стендов и макетов, перечень рабочих заданий, контрольные вопросы и требования к оформлению отчетов о лабораторных работах по курсу “Датчики на основе микрои нанотехнологий”, читаемому студентам факультета автоматики и электроники, высшего физического колледжа, вечернего факультета и иностранным студентам НИЯУ МИФИ. Во введении приведены теоретические положения, знание которых необходимо для понимания и выполнения лабораторных работ. Лабораторный практикум адресован студентам пятого курса дневного отделения факультетов автоматики и электроники, высшего физического колледжа НИЯУ МИФИ и четвертого курса вечернего факультета НИЯУ МИФИ, обучающимся по специальности «Электроника и автоматика физических установок». Рецензент доцент В.Н. Решетов Рекомендовано редсоветом НИЯУ МИФИ в качестве учебного пособия ISBN 978-5-7262-1356-9 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010

©

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………..………………………......4 ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..…..6 Работа 1. Полупроводниковый преобразователь температуры……......13 Работа 2. Полупроводниковый преобразователь индукции магнитного поля......................................................................17 Работа 3. Ионочувствительный микропреобразователь…......................21 Работа 4. Полупроводниковый металлооксидный чувствительный элемент датчика водорода ….……..……25 Работа 5. Интегральный датчик давления................................................30 Работа 6. Интегральный датчик индукции магнитного поля с частотным выходом.............................................................36 Работа 7. Интегральный датчик концентрации водорода......................40 Работа 8. Электронный термометр на основе интегрального цифрового датчика DS18B20 ……………………….…….46 Список литературы....................................................................................53

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Научно-технический прогресс зависит от уровня развития измерительной техники. При этом задачи, решаемые с помощью измерительных устройств и систем в области фундаментальных и прикладных наук, а также в управлении производственными процессами, постоянно требуют совершенствования методов и средств измерения. Весьма перспективным направлением улучшения качества измерительных систем является применение в них микроэлектронных изделий: цифровых, аналоговых и аналого-цифровых устройств в виде интегральных микросхем, а также микроэлектронных датчиков – датчиков на основе микро- и нанотехнологий. В связи с этим, более двадцати лет назад на кафедре микроэлектроники МИФИ были поставлены курсы "Микроэлектронные датчики и преобразователи физических величин" и "Микропроцессорные системы в измерительной технике". С целью более глубокого изучения курса "Микроэлектронные датчики и преобразователи физических величин" в 1987 году была создана в МИФИ новая учебная лаборатория и издан по этому курсу лабораторный практикум. В последнее десятилетие интерес к микроэлектронным преобразователям физических величин существенно повысился как со стороны микротехнологов, так и со стороны разработчиков датчиков, измерительных приборов и систем. В системах измерения, контроля и управления широко стали применяться интегральные полупроводниковые сенсоры (ИПС). Такие сенсоры представляют собой один из классов твёрдотельных датчиков, основной характерной особенностью которых является конструктивно-технологическая и функциональная интеграция различных элементов измерительного канала на одном чипе с использованием микро- и нанотехнологий . Номенклатура и области применения ИПС постоянно расширяются. К настоящему времени разработаны интегральные полупроводниковые сенсоры для измерения механических величин (силы, ускорения, давления); температуры; параметров электромагнитных полей и радиации (индукции магнитного поля, мощности световых потоков, дозы и мощности ионизирующего излучения, флюенсов и энергий элементарных частиц, доз поглощения и др.). Созданы также ИПС для измерения концентраций ионов и атомов в жидкостях и концентраций молекул в газах (так называемые химические сенсоры и биосенсоры). В связи с этим курс «Микроэлектронные датчики и преобразователи физических величин» был модернизирован (расширен по объёму, дополнен информацией о новых типах ИПС, о новых терминах и определениях) и переименован в «Датчики на основе 4

микро- и нанотехнологий». В настоящее время данный курс читается студентам дневного и вечернего отделений, а также студентам физического колледжа МИФИ. По инициативе ведущего лектора курса кафедра микро- и наноэлектроники МИФИ решила издать новый лабораторный практикум по данному предмету. Предлагаемый практикум содержит расширенное введение, включающее современные положения по терминологии в области создания микроэлектронных измерительных преобразователей и датчиков, а также описания двух новых лабораторных работ и шести существенно переработанных по тексту работ из предыдущего практикума. Авторы искренне признательны всем сотрудникам научной лаборатории МИФИ «Микроэлектронные специализированные измерительные средства» за помощь в подготовке данной рукописи, а также весьма благодарят коллег и рецензента за их полезные замечания.

5

ВВЕДЕНИЕ Датчики и преобразователи физических величин нашли широкое применение в измерительно-информационных системах и автоматизированных системах управления. В результате научно-технического прогресса существенно изменился “облик” измерительной техники. Если сорок лет назад основными измерительными средствами были, как правило, устройства и приборы для измерения одной величины и преобладали преобразователи физических величин в неэлектрический сигнал (например, изменение температуры − линейное перемещение столбика ртути, изменение силы − механическое перемещение стрелки упругого элемента, изменение давления − линейное изменение длины столбика жидкости), то современные средства измерения обычно представляют собой электронные устройства, приборы или многоканальные системы для измерений различных физических величин, которые с помощью датчиков преобразуются в электрический сигнал. Преобразование физических величин в электрический сигнал обеспечивает и упрощает дальнейшую передачу и обработку измерительной информации с помощью электронных устройств. Это позволяет повысить точность и быстродействие измерений, обрабатывать данные в ЭВМ в реальном масштабе времени и выводить результаты на современные средства отображения и записи информации (дисплеи, цифропечатающие устройства, самописцы, графопостроители и магнитные носители записи). По типу информативных параметров входной и выходной величин электронные преобразователи подразделяются на три класса: 1) преобразователи электрических величин в электрический сигнал (например, электроды, усилители, АЦП); 2) преобразователи электрических величин в неэлектрические величины (например, светодиоды, электронагреватели или охладители, электродвигатели, электрогенераторы химических веществ − так называемые обратные преобразователи или актюаторы); 3) преобразователи неэлектрических величин в электрический сигнал (например, термопары, тензорезисторы, фототранзисторы и другие чувствительные элементы датчиков). В измерительных системах преобразование обычно осуществляется последовательно соединенными преобразователями, которые образуют измерительный канал (ИК). Первый преобразователь в ИК, который непосредственно взаимодействует с объектом измерения, 6

называется первичным измерительным преобразователем (ПИП), а последующие за первичным преобразователи − вторичные измерительные преобразователи (ВИП). Эти понятия отражают структурнофункциональные свойства устройств, т.е. их место и роль в ИК. Электронный датчик − конструктивно законченное средство измерения, способное преобразовывать одну или несколько физических величин в электрический сигнал для последующих преобразований, передачи, обработки и отображения измерительной информации, но не дающее пользователю возможность непосредственно получить количественные данные об измеряемой величине. По принципу работы ПИП и датчики могут быть параметрического или генераторного типа (с подведением дополнительной электроэнергии и без её подведения). В параметрических ПИП изменение входной величины приводит к изменению электрического сопротивления, ёмкости или индуктивности преобразователя. К числу таких относятся терморезисторы, тензоконденсаторы, фоторезисторы. В преобразователях генераторного типа выходными величинами являются напряжение или ток, значения которых непосредственно (без подведения электроэнергии) изменяются под действием входной величины (например, термопара, фотодиод). Если преобразователь или датчик изготовляется с использованием микро- и/или нанотехнологий, в том числе и технологий интегральных микросхем, то его обычно называют микроэлектронным (МЭД). В иностранной литературе ещё с 70-х годов 20 в. микроэлектронные ПИП и датчики называют обычно сенсорами (“sensors”). Строго говоря, это понятие − более широкое, сенсоры − твёрдотельные миниатюрные ПИП, датчики или их чувствительные элементы, изготавливаемые с применением любых технологий (микро- и нанотехнологий, биотехнологий, порошковой металлургии, оптоволоконной техники и др.). В 90-х годах этот термин распространяется и в России, хотя официального его утверждения ГОСТом или ОСТами пока нет. Появились производные термины: сенсоэлектроника, сенсорика, микросенсоры, микросенсорика, биосенсоры, химические сенсоры и биочипы. Микроэлектронные преобразователи или датчики могут состоять из одного элемента (дискретные МЭД) или из нескольких (интегральные МЭД). Интегральные МЭД по конструктивно-технологическому признаку можно разделить на полупроводниковые, плёночные, гибридно-плёночные и микросборки. По структурно-функциональной сложности среди интегральных МЭД условно можно выделить простые и сложные. 7

Простые интегральные датчики (ИД) содержат, как правило, один чувствительный элемент (ПИП) и простейшие элементы вторичного преобразования (мостовые схемы, преобразователи сопротивления, предусилители). Простые ИД можно отнести к разряду интегральных микросхем (ИМС) низкой и средней степени интеграции. Сложные ИД могут содержать несколько чувствительных элементов, различные элементы вторичного преобразования (усилители, коммутаторы, преобразователи напряжение-частота, АЦП и др.), устройства обработки и хранения данных (компараторы, счётчики, сумматоры, перемножители, схемы памяти, процессоры) и актюаторные элементы. Сложные ИД с большим количеством однородных чувствительных элементов (микрополосковые координатно-чувствительне датчики, фотоприёмные матрицы) называют датчиками матричного типа. Сложные ИД, способные выполнять функции измерения и контроля нескольких физических величин одновременно, автоматического переключения каналов, автоматической коррекции систематических погрешностей, адаптации к изменению эксплуатационных условий, вычислений, сравнений, принятия решений и формирования соответствующих сигналов, называют интеллектуальными датчиками. Сложные ИД относятся к разряду ИМС средней и высокой степени интеграции (СИС, БИС и СБИС). Обобщённая структурно-функциональная схема сложного интегрального датчика представлена на рис. В1. Пользуясь стандартной терминологией для ИМС, физически разделимые составные части датчика назовём компонентами датчика (кристалл, керамическая подложка, основа корпуса, крышка корпуса, выводы), а физически неотделимые от полупроводникового кристалла части датчика предлагаем называть элементами кристалла датчика (например, диффузионный резистор, биполярный или МДП-транзисторы, кремниевые мембраны и балки).

8

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА Zj

Xi объект

6

6

2

1

измерения

ВИП

1

7

4

5 8

2

5

Yk

3

⎯ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Рис. В1. Обобщённая структурно-функциональная схема сложного интегрального датчика:Xi и Zj – основные и дополнительные входные величины датчика; Yk – выходные величины; 1, 2 и 3 – соответственно, основные, дополнительные и вспомогательные компоненты или элементы первичного преобразования – чувствительные элементы; 4 – компоненты или элементы вторичного преобразования; 5 и 6 – основные или дополнительные актюаторные компоненты или элементы; 7 – устройства обработки и хранения данных; 8 – корпус

Компоненты и элементы могут играть роль первичных, вторичных и актюаторных преобразователей, а также устройств оперативного хранения и обработки данных, или составных частей этих устройств и преобразователей. Компоненты датчика (КД) могут быть безвыводные, бескорпусные и корпусные. Для пользователя любой датчик (простой 9

или сложный) играет роль первичного измерительного преобразователя. В интегральных МЭД преобразование измеряемых величин в выходной сигнал осуществляется, как правило, посредством многоступенчатых преобразований физических и электрических величин. Кроме того, в самом ИД с помощью различных преобразователей может быть реализована частичная обработка данных в реальном времени. Чтобы не было путаницы в терминологии у разработчиков и потребителей МЭД, для интегральных датчиков предлагается ввести следующие понятия, отражающие структурно-функциональные особенности компонентов и элементов ИД: 1) основные чувствительные элементы (компоненты) первичного преобразования − устройства, играющие роль преобразования основных измеряемых величин в первичный электрический сигнал; 2) дополнительные чувствительные элементы (компоненты) первичного преобразования − устройства, играющие роль преобразования параметров внешних побочных факторов в первичный электрический сигнал; 3) вспомогательные чувствительные элементы (компоненты) первичного преобразования − устройства контроля нормального рабочего режима датчика; 4) элементы (компоненты) вторичного преобразования − устройства нормализации и преобразования выходных электрических сигналов первичных преобразующих элементов (компонентов) для дальнейшей передачи, обработки и отображения данных; 5) основные актюаторные элементы (компоненты) − устройства, предназначенные для принципиального обеспечения процесса измерения с помощью основных элементов (компонентов) первичного преобразования данного датчика; 6) дополнительные актюаторные элементы (компоненты) принципиально обеспечивают работу дополнительных первичных преобразующих компонентов и/или служат для улучшения метрологических характеристик датчика (повышения чувствительности, точности и быстродействия измерений); 7) элементы (компоненты) устройств обработки и хранения данных; 8) корпус датчика. Следует отметить, что дополнительные и вспомогательные чувствительные элементы (ЧЭ) могут использоваться не только как составные части сложных датчиков, но и как встроенные ЧЭ устройств систем контроля нормальных режимов работы ИМС и различного класса ап10

паратуры (не обязательно измерительной). К числу контролируемых параметров относятся температура, влажность, давление и радиационный фон, величины которых могут измеряться с помощью встроенных ЧЭ. Наиболее перспективными считаются полупроводниковые интегральные МЭД, в которых ЧЭ (ПИП) создаются в едином технологическом цикле на одной чипе вместе с ВИП и другими элементами ИК. Гибридные МЭД изготовляются, как правило, в тех случаях, когда технология изготовления элементов датчика не совместима друг с другом или со стандартными процессами технологии получения полупроводниковых ИМС. В настоящее время уже созданы интегральные датчики давления, температуры, индукции магнитного поля, концентрации ионов в растворах и молекул в газах, фотоэлектрические и радиационные преобразователи. Помимо совершенствования перечисленных преобразователей имеется тенденция к созданию многофункциональных интегральных датчиков, содержащих на одной подложке несколько элементов, чувствительных к различным видам физических величин (мультисенсоры). С помощью таких датчиков возможно будет не только одновременно измерять несколько параметров, но и автоматически корректировать систематические погрешности, обусловленные действием влияющих (побочных) факторов, что позволит улучшить метрологические характеристики измерительных систем. Кроме того, мультисенсоры являются основой для создания сложных микросистем, выполняющих функции обоняния (“электронных носов”) и вкуса (“электронных языков”). В курсе "Датчики на основе микро- и нанотехнологий" рассматриваются датчики и преобразователи температуры (тонкоплёночные термопары, терморезисторы, термоконденсаторы, термодиоды и интегральные датчики), механоэлектрические преобразователи (тензорезисторы, тензоконденсаторы и ИД ), магниточувствительные датчики (СКВИДы, магниторезисторы, датчики Холла, МДП-преобразователи, магнитодиоды, магниторезисторы и ИД), ионочувствительные транзисторы, дискретные и интегральные датчики концентрации газов, датчики параметров излучений, специальные электроды, способы сопряжения первичных преобразователей с устройствами обработки и отображения информации. Изучаются их физические принципы работы, конструктивно-технологические особенности изготовления, метрологические и эксплуатационные характеристики, области применения. К 11

числу основных эксплуатационных характеристик МЭД относятся масса, габариты, потребляемая мощность, напряжение питания, количество выводов, время подготовки, время непрерывной работы, срок службы. Основные метрологические характеристики датчиков и преобразователей: функция преобразования (передаточная характеристика), чувствительность, погрешность, быстродействие, порог чувствительности, рабочий диапазон преобразования и диапазон измерений. Именно эти характеристики будут изучаться в предлагаемых лабораторных работах. В данный практикум включены восемь лабораторных работ, в которых исследуются характеристики полупроводниковых преобразователей температуры, индукции магнитного поля, давления, концентрации ионов и молекул газа. Параметры фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей изучаются в лабораторном практикуме по курсу "Основы оптоэлектроники". Таким образом, на кафедре микро- и наноэлектроники МИФИ студенты практически знакомятся почти со всеми типами полупроводниковых преобразователей. В описании к каждой лабораторной работе, которое должно способствовать более глубокому пониманию выполняемой работы, имеются введение, схемы измерительных стендов и макетов, перечень рабочих заданий, контрольные вопросы и требования к оформлению отчётов о лабораторных работах. Следует отметить, что исследуемые в первых трех работах дискретные преобразователи температуры, индукции магнитного поля и концентрации ионов водорода являются чувствительными элементами соответствующих интегральных датчиков. Поэтому изучение их характеристик представляется полезным для понимания физики работы и конструктивно-технологических особенностей ИД перечисленных величин. В последующих работах исследуются характеристики интегральных полупроводниковых датчиков давления и температуры, индукции магнитного поля и концентрации газообразного водорода.

12

Работа 1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Цель работы: исследование метрологических характеристик первичного преобразователя температуры на основе полупроводникового диода. Введение Измерение температуры с помощью полупроводникового диода проводится, как правило, на «прямой» ветви его вольт-амперной характеристики (ВАХ), которая более чувствительна к изменению температуры, чем обратная ветвь. Прямое напряжение U в реальном открытом диоде падает на самом p-n переходе и на сопротивлении базы R: U = (kT/q)· ln( I / I0 +1 ) + IR. (1.1) Как следует из выражения (1.1), при постоянном токе I напряжение на диоде является нелинейной функцией от температуры, так как величина R ~ T 1,5. Однако в области малых токов, когда вторым членом можно пренебречь, прямое напряжение на диоде определяется только первым членом выражения (1.1) и прямо пропорционально абсолютной температуре Т. В этом случае, дифференцируя по температуре (1.1) без учета второго члена IR, получаем температурный коэффициент напряжения (ТКН) p-n перехода: ϕ −U ΔU (1.2) S= =− Ç < 0, T ΔT где φЗ – ширина запрещенной зоны полупроводника (в дальнейшем пренебрегаем слабой зависимостью φЗ от температуры). Температурный коэффициент напряжения S отрицателен, не зависит от температуры (при изменении Т одновременно меняется напряжение, см. (1.2)). Его типичное значение для кремниевых диодов составляет 2,1 мВ/оС, для германиевых – 1,8 мВ/оC. Передаточные характеристики U = f(T) диодов в области малых токов (I<< IТ) линейны в широком диапазоне температур: для кремниевых от 140 до 380 К; для германиевых от 120 до 300 К. При увеличении тока I модуль температурного коэффициента напряжения уменьшается, преобладающим становится влияние сопротивления базы. Температурный коэффициент напряжения SR, обусловленный изменением сопротивления базы, положителен и нелинейно 13

зависит от температуры. При токах I > IТ общий температурный коэффициент напряжения диода S0 = SR + S меняет знак, а передаточная характеристика становится нелинейной. При токе I = IТ значение S0 = 0. Нетрудно показать, что величина IТ = 2ST/3R. Температурная зависимость прямой характеристики реального диода иллюстрируется рис. 1.1. Предпочтительной областью ВАХ диода при его использовании в качестве датчика температуры является область токов I << IТ, где обеспечивается линейность передаточной характеристики термочувствительного прибора. I T < T0 T0

T > T0

0 U Рис. 1.1. Температурная зависимость прямой ветви ВАХ реального диода

В данной работе исследуются следующие метрологические характеристики первичного преобразователя температуры на основе полупроводникового диода: передаточная характеристика, чувствительность (температурный коэффициент напряжения – чувствительность), диапазон линейной области работы. Описание макета Макет для измерения метрологических характеристик первичного преобразователя температуры выполнен из двух частей: выносного пробника, в котором размещен чувствительный элемент-транзистор в диодном включении; измерительной схемы, обеспечивающей задание режима и измерение напряжения на диоде. Принципиальная схема макета показана на рис. 1.2. На панели макета имеется тумблер Т1 для переключения резисторов, задающих режимный ток в преобразователе. 14

Выносной пробник макета помещается в термостат, напряжение с диода измеряется с помощью измерительного усилителя ОУ1 и цифрового вольтметра. Используемые приборы: универсальный цифровой вольтметр В7-16; источник питания Б5-47; термостат ТС-16.

1

Рис. 1.2. Структурно-функциональная схема измерительного макета (1 – выносной пробник с термосенсором)

Рабочее задание 1. Ознакомиться с описанием работы. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Рассчитать температурные коэффициенты кремниевого р-n перехода и базового сопротивления при следующих исходных данных: Т=300 К; U= 0,67 В; R = 5 Ом; I = 1 мА (при расчёте S); I = 50 мА (при расчете SR). 4. Рассчитать ток IТ, при котором ТКН реального диода равен нулю. Исходные данные такие же, как и в п. 3. 5. Измерить передаточную характеристику первичного преобразователя температуры в линейной области работы (I = 0,5 мА). Для этого необходимо тумблер Т1 перевести в положение "1". Выносной пробник с первичным преобразователем поместить в термостат. Включить питание схемы и термостата. Измерить напряжение на переходе с помощью цифрового вольтметра при температуре 25…90 °C с шагом 5 °C. Ручка регулировки температуры в термостате стоит в крайнем правом положении. 15

6. Отключить термостат и измерить передаточную характеристику первичного преобразователя при охлаждении термостата в тех же температурных точках, что и в п. 5 задания. 7. Переключить тумблер Т1 в положение "2" и провести измерения, аналогичные пп. 5 и 6 рабочего задания, для нелинейной области работы (I ≈ 50 мА). Обработка результатов измерений 1. Начертить графики передаточных характеристик U = f(T) первичного преобразователя температуры для двух режимов его работы (для каждого режима начертить графики, соответствующие нагреванию и охлаждению). Рассчитать средние значения чувствительности преобразователя температуры S = ΔU/ΔT для двух режимов его рабочего тока. 2. По полученным графикам определить значения S и SR в точке Т=500 °C. Оценить нелинейность передаточной характеристики в диаS (80°C ) − S (50°C ) пазоне 50-80 °C: Δ = . S (50°C ) Отчёт о лабораторной работе Отчёт о лабораторной работе должен содержать: краткое изложение цели работы; чертеж схемы макета; список используемых приборов; результаты теоретических расчётов; экспериментальные результаты и заключение. Контрольные вопросы 1. Назовите физические причины температурной зависимости напряжения на полупроводниковом диоде при постоянном прямом токе. 2. Чем определяется линейный режим работы первичного преобразователя температуры на полупроводниковом диоде? 3. В чем преимущества и недостатки первичных преобразователей температуры на основе р-n перехода по сравнению с терморезисторными преобразователями? 4. Чем определяется быстродействие первичного преобразователя температуры на основе полупроводникового диода? 5. Как зависит чувствительность термодиода от рабочего тока? 6. От каких параметров термодатчиков зависит их быстродействие? 7. Назовите области применения полупроводниковых термодатчиков. 16

Работа 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Цель: изучение основных метрологических характеристик полупроводникового преобразователя индукции магнитного поля – преобразователя Холла. Введение В настоящее время датчики магнитного поля (ДМП) находят всё большее применение в измерительно-информационных системах и автоматизированных системах управления. Благодаря совершенствованию технологии стало возможным изготовление полупроводниковых МДП: датчиков Холла (ДХ), магниторезисторов, магнитодиодов, МДП-магнитоэлектрических преобразователей, магнитотранзисторов и магнитотиристоров. Полупроводниковые ДМП отличаются меньшими размерами, высокой надежностью и низкой стоимостью. В данной лабораторной работе предметом исследования является дискретный датчик Холла, который как класс первичных преобразователей получил в настоящее время широкое распространение в технике и может также использоваться в качестве сенсорного элемента в интегральных датчиках. Датчик Холла представляет собой четырёхполюсник (рис. 2.1), в котором при наличии входного тока I и магнитного поля с индукцией В с направлением, показанным на рис. 2.1, на выходе появляется напряжение U, значения которого являются линейной функцией от В (в рабочем диапазоне). Исследуемый датчик Холла представляет собой пластину полупроводника с двумя входными контактами на торцах пластины и двумя точечными выводами. Магнитное поле с индукцией В вызывает действие силы Лоренца на заряд q, движущийся с дрейфовой скоростью v: Fл = q [v, B] . В пластине полупроводника заряды, отклоненные силой Лоренца, накапливаются на гранях, вследствие чего одна из граней заряжается положительно, другая − отрицательно. Заряды будут накапливаться до тех пор, пока не создадут поперечное электрическое поле, компенсирующее действие силы Лоренца. Следовательно, между гранями возникает разность потенциалов, которая и является естественной выходной величиной датчика 17

U=BI/qnd , где I – входной ток; q – заряд электрона, n – удельная концентрация свободных носителей заряда; d – толщина полупроводника.

B I

•

↑

----------

•

++++++++

U •

Рис. 2.1. Преобразователь Холла

Основными метрологическими характеристиками ДМП являются: чувствительность S, В/Т; порог чувствительности В0, Т; относительная чувствительность S0, В/ Т ⋅ А; нелинейность передаточной характеристики N, %; температурный коэффициент чувствительности ST, % /К; погрешность нуля, для датчика Холла − это остаточное напряжение U0 , мВ; диапазон преобразования D; передаточная характеристика (графическая зависимость выходного напряжения датчика U от индукции магнитного поля В) представлена на рис. 2.2.

U

1

U0 ⎯

2 0

В

Рис. 2.2. Передаточные характеристики преобразователя Холла: 1 – реальная; 2 – номинальная

Чувствительность S = dU/dB характеризует наклон передаточной характеристики на рис. 2.2. Порог чувствительности B0 − минимальная 18

величина индукции магнитного поля, при котором относительная погрешность равна 100 %. Для устройств с датчиками Холла порог чувствительности В0 главным образом определяется порогом чувствительности измерительного звена. Относительная чувствительность S0 = S / I , где I – питающий ток датчика. Нелинейность преобразования в некотором диапазоне есть отношение максимального в этом диапазоне отклонения передаточной характеристики от номинальной (в данном случае – прямой) к значению выходного напряжения в точке максимального отклонения, выраженное в процентах: N = (ΔU / U) ⋅ 100 % . Диапазон преобразования D = BМАКС / В0, где В0 – порог чувствительности; BМАКС – максимальная величина магнитного поля, при которой относительная погрешность становится равной 100 %. Температурный коэффициент чувствительности ST = [ΔS / ( S ⋅ ΔT )] ⋅ 100 % характеризует относительное изменение чувствительности в зависимости от температуры. Погрешность нуля, или остаточное напряжение U0 есть выходное напряжение датчика в отсутствие магнитного поля (см. рис. 2.2). Используемые приборы: образцовый соленоид; источник питания ТЕС-88 – 2 шт.; источник питания УНИП-7; вольтметр В7-27 – 1шт.; вольтметр В7-20 – 2шт; датчик Холла ДХК-7АК. Рабочее задание 1. Собрать установку по схеме, показанной на рис. 2.3. Задавая различный ток источников ТЕС-88 и находя по калибровочной прямой соленоида значение магнитной индукции, провести 5-10 измерений выходного напряжения датчика U для одной полярности магнитного поля и 5-10 измерений − для другой. Рабочий ток датчика I при этом установить равным 5 мА. Провести такие же измерения передаточной характеристики при рабочих токах датчика 10 и 20 мА. 2. Построить передаточные кривые U для трёх рабочих токов. 19

Рис. 2.3. Схема измерения передаточных характеристик датчика

Обработка результатов измерений 1. Для случая I = 10 мА рассчитать чувствительность, порог чувствительности, диапазон преобразования, нелинейность, остаточное напряжение. 2. Вычислить относительную чувствительность S0, нелинейность N, остаточное напряжение U0 при трёх рабочих токах. 3. Построить зависимости S (I), U0 (I) и N (I). Выбрать, исходя из графиков, оптимальный режим работы датчика, соответствующий значениям N < 5 % и U0 < 10 мВ. Контрольные вопросы 1. В чем заключается эффект Холла? 2. Какие основные метрологические характеристики имеют датчиков магнитного поля? 3. Что такое передаточная характеристика? 4. Как определяется оптимальный режим работы датчика Холла? 5. Назовите области применения датчиков Холла. 6. Что такое погрешность нуля? Способы уменьшения погрешности нуля. 20

Работа 3 ИОНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ МИКРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Цель работы: ознакомление со структурой и исследование электрохимических характеристик ионочувствительного микропреобразователя. Введение Ионочувствительный микропреобразователь предназначен для селективного определения концентрации ионов в растворах электролитов. По своей структуре он аналогичен n-канальному МДПтранзистору с тем отличием, что роль металлического затвора выполняет раствор электролита с электродом сравнения, помещенным в него. В результате ионного обмена между раствором и поверхностью микропреобразователя возникает скачок потенциала, величина которого определяется уравнением Нернста: φ = φ0 +

RT nF

ln ai ,

(3.1)

где φ0 – стандартный потенциал (при ai = 1); R – универсальная газовая постоянная; Т – температура; n – валентность иона; F – постоянная Фарадея; ai – активность иона. При изменении активности потенциалоопределяющего иона в растворе меняется значение φ, которое модулирует проводимость канала микропреобразователя. По аналогии с МДП-транзисторами вольт-амперные характеристики ионочувствительного микропреобразователя могут быть представлены в следующем виде для крутой области и области насыщения соответственно: IC =

IC =

μ n C o wU C L μ n C o wU C 2L

⎛ ⎜⎜ U ÝÑ ⎝ ⎛ ⎜ U ÝÑ ⎝

где U0 = 2ϕFE − ϕМП − ϕ0 −

− U0 +

− U0 + Q ÏÑ Ñ0

−

RT ln a i nF RT ln a i

QB Ñ0

жение. 21

nF

− E ÝÑ −

UC 2

⎞ ⎟⎟ , ⎠

(3.2)

2

− E ÝÑ

⎞ ⎟ , ⎠

(3.3)

− эффективное пороговое напря-

Здесь IС и UС – ток стока и напряжение на стоке; – подвижность электронов в канале; C0 – удельная емкость затвора; L и w – длина и ширина канала; UЭС – напряжение на электроде сравнения; EЭС – потенциал электрода сравнения; ϕFE – модуль разности между уровнем Ферми и уровнем электростатического потенциала в объеме полупроводника; ϕМП – контактная разность потенциалов между полупроводниковой подложкой и металлом электрода сравнения; QПС – заряд поверхностных состояний на границе Si–SiO2; QВ – заряд акцепторов обедненного слоя. Для обеспечения селективной чувствительности к ионам водорода, а также увеличения срока службы микропреобразователя используется двухслойный диэлектрик: нижний слой – термически выращенный оксид кремния; верхний слой – нитрид кремния. Топологической особенностью ионочувствительного микропреобразователя является то, что чувствительная область и контактные площадки разнесены на противоположные стороны кристалла для того, чтобы повысить надежность и упростить процесс герметизации прибора. Электрическая связь осуществляется посредством длинных диффузионных областей, сопротивление которых может достигать 100-500 Ом, поэтому при малых напряжениях на стоке крутизна S характеристики IС (UЭС) начинает уменьшаться с ростом тока стока в соответствии с формулой: S = dIС /dUЭС = β [ UС – IС ( RU + RС)], (3.4) где β = μnCow /L, RU и RС – сопротивление диффузионных областей истока и стока. Чтобы исключить влияние этого фактора, необходимо работать при постоянном токе стока и напряжении на стоке. Описание макета В лабораторной работе для этой цели используется схема измерения, представленная на рис. 3.1. Здесь повторитель У1 задает напряжение на стоке, усилитель У2 служит для регулировки тока стока. Посредством отрицательной обратной связи через У3 любые изменения разности потенциалов на границе раствор-микропреобразователь компенсируются изменением потенциала электрода сравнения (UЭС). Значение тока стока и напряжения на стоке выбираются из следующих соображений: напряжение сток-исток должно быть достаточно мало, чтобы не оказывать влияния на распределение ионов в растворе (рабочий диапазон 100-500 мВ); ток стока определяет начальное на22

пряжение на электроде сравнения, которое должно быть достаточно мало, чтобы гарантировать электробезопасность и не искажать естественного распределения ионов в растворе. Для микропреобразователя со встроенным каналом значение тока стока обычно лежит в диапазоне 50-300 мкА, в котором прибор имеет малый температурный коэффициент и рассеивает малую мощность.

Рис. 3.1. Схема измерения концентрации ионов

Рабочее задание 1. Опустить микропреобразователь и электрод сравнения в буферный раствор с рН = 6,88. Меняя величину тока стока, снять зависимость IС (UЭС) при следующих значениях напряжения на стоке: 100 мВ, 300 мВ, 500 мВ. Вынуть микропреобразователь и электрод сравнения из буферного раствора с рН=6,88, промыть в дистиллированной воде, поместить в буферный раствор с рН=1,68. Повторить измерения при тех же значениях напряжения на стоке. 2. Построить измеренные сток-затворные характеристики микропреобразователя IС (UЭС) для обоих значений рН. 3. Исследовать чувствительность микропреобразователя к ионам водорода. Для этого установить ток стока в диапазоне 50-300 мкА, напряжение на стоке в диапазоне 100-500 мВ. Налить в стеклянную посуду четыре буферных раствора: рН=1,68, рН=3,56, рН=6,88, рН=9,22. 23

Поочередно опуская микропреобразователь и электрод сравнения в буферные растворы, снять зависимость UЭС (рН). При выполнении пп.1,3 необходимо использовать вольтметры В7-27, миллиамперметр М-85, источник питания УНИП-7, электрод сравнения ЭВЛ-1М1. Электрод сравнения и микропреобразователь необходимо ополаскивать в дистиллированной воде, вынув из буферного раствора. 4. По графику UЭС(рН) вычислить значение ионной чувствительности микропреобразователя (в мВ/рН) и сравнить с теоретическим значением, равным RT ln 10/nF. 5. Рассчитать крутизну сток-затворной характеристики S по формуле (3.4) для различных напряжений на стоке. При расчетах использовать значения параметров: = 800 см/В2 c; толщина диоксида кремния d1 = 0,1 мкм; толщина нитрида кремния d2 = 0,07 мкм; w=1050 мкм; L=25 мкм; RU=RС=2000 м; IС=200 мкА; UС=100 мВ; 300 мВ, 500 мВ. 6. Из экспериментальных сток-затворных характеристик определить значения крутизны S при токе стока IС=200 мкА и сравнить с расчётными значениями. Контрольные вопросы 1. Поясните общие и отличительные черты МДП-транзистора и ионочувствительного микропреобразователя. 2. Поясните принцип работы ионочувствительного микропреобразователя. 3. Расскажите о топологических и конструктивных особенностях микропреобразователя. 4. Обоснуйте выбор режима работы микропреобразователя. 5. Почему предпочтительно использовать микропреобразователи со встроенным каналом? 6. Назовите области применения ионочувствительных микропреобразователей.

24

Работа 4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МЕТАЛЛООКСИДНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ВОДОРОДА Цель: экспериментальное исследование основных метрологических характеристик полупроводникового металлооксидного водородочувствительного элемента. Введение Резисторные газочувствительные элементы датчиков на основе металлооксидных полупроводниковых слоев (SnO2, ZnO, Fe2O3, WO3, Co3O4) являются весьма распространенными среди чувствительных элементов (ЧЭ) для измерения концентраций молекул различных газов. В настоящее время осваиваются нано- и микротехнологии получения перечисленных материалов в виде плёнок, что делает принципиально возможным создание на их основе интегральных датчиков и микросистем для анализа газового состава сред. В данной работе исследуются основные метрологические характеристики полупроводникового толстопленочного металлооксидного ЧЭ датчика водорода, использующего в качестве чувствительного материала легированного палладием SnO2. Физический принцип работы такого ЧЭ описывается моделями потенциальных барьеров на границе металлооксидных кристаллитов. На границах кристаллитов существует потенциальный барьер, определяющий электропроводность. Он формируется, когда молекулы кислорода из воздуха адсорбируются на поверхности металлооксидов и, захватывая электрон из материала, становятся ионами. Отрицательно заряженные ионы отталкивают электроны проводимости от поверхности, уменьшая их концентрацию и оставляя нескомпенсированные положительно заряженные донорные центры, формируя потенциальный рельеф поверхности (рис. 4.1). Ионы кислорода, адсорбированные на поверхности, повышают барьер и значительно увеличивают сопротивление для протекающего тока. Появление восстанавливающего газа приводит к его реакции с кислородом на поверхности с последующим испарением продуктов реакции, что снижает потенциальный барьер и уменьшает сопротивление чувствительного слоя (рис. 4.2). Для того чтобы химические реакции на поверхности полупроводника протекали достаточно быстро, т.е., чтобы обеспечить быстродействие на уровне нескольких секунд, ЧЭ обычно нагревают 25

до температуры порядка 250 °С (для измерения концентраций водорода или паров спирта) или до 500 °С (для метана). Причем для каждого типа газа имеется оптимальный температурный диапазон. Конструкция ЧЭ представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.1. Потенциальный барьер на границе кристаллита в отсутствие газа восстановителя

Рис.4.2. Потенциальный барьер на границе кристаллита в присутствии газа восстановителя

Рис. 4.3. Конструкция ЧЭ: чувствительный слой SnO2; нагреватель Pt; платиновые контактные площадки и выводы; Al2O3 мембрана

В работе исследуются следующие метрологические характеристики полупроводникового металлооксидного ЧЭ: отклик, зависимость σ =f(t), при импульсном изменении концентрации водорода N и его параметры σ, Δσ, t0,9п, t0,9з (рис. 4.4); чувствительность S = Δσ/N при различных концентрациях водорода; передаточная характеристика σ =f(N). 26

Рис.4.4. Отклик ЧЭ и его параметры

Описание измерительного стенда и макета Структурно-функциональная схема измерительного стенда представлена на рис. 4.5. Стенд содержит следующие устройства и приборы: источник (генератор) водорода 1, блок питания В5-7 2, макет измерительного канала 3, герметичную камеру 4, компьютер 5.

Рис. 4.5.Структурно-функциональная схема измерительного стенда

Принципиальная схема макета содержит 8-разрядный микроконтроллер с 10-битным АЦП, и металлооксидный ЧЭ 6 (RT – нагреватель, 27

RS – активная часть ЧЭ). Напряжение питания макета однополярное (U = +5 В). Макет обеспечивает температурную стабилизацию ЧЭ методом ШИМ-регулирования, измерение проводимости чувствительного слоя посредством встроенного в микроконтроллер АЦП и обмен данными с компьютером по интерфейсу RS-232. Для измерения электрического сопротивления придаётся омметр. Подготовка к выполнению работы 1. Ознакомиться с описанием работы. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Собрать макет в соответствии со схемой рис. 4.5. 4. Включить в сеть генератор водорода, компьютер, источник питания макета. 5. Дать возможность стабилизироваться показаниям датчика в течение 5 мин. Рабочее задание 1. Измерить с помощью омметра и записать значение сопротивления нагревателя при комнатной температуре (выводы со значением сопротивления порядка 10 – 100 Ом). 2. Вставить датчик в разъем измерительной схемы макета в соответствии с цоколевкой. Поместить ЧЭ в отверстие испытательной камеры и плотно закрыть крышку камеры. 3. Настроить программу на непрерывный режим работы ЧЭ. Установка времени нагрева и установка периода – 15 с., время измерения – 14 с, TMAX = 450 °С, сопротивление нагревателя – измеренное в п. 1. Включить обмен данными с макетом. 4. Начать запись в файл данных значений проводимостей полупроводникового металлооксидного чувствительного слоя в заданных точках измерения. 5. Впуск водорода в камеру осуществляется с помощью шприца путем забора из источника водорода определенного количества газа и введения его в камеру в соответствии со следующими соотношениями: 0,01% – 100 ppm 0,6% – 6000 ppm 0,1% – 1000 ppm 0,7% – 7000 ppm 0,2% – 2000 ppm 0,8% – 8000 ppm 0,3% – 3000 ppm 0,9% – 9000 ppm 0,4% – 4000 ppm 1,0% – 10000 ppm 28

0,5% – 5000 ppm Выпуск водорода производится посредством открывания крышки камеры и пребыванием сенсора на короткое время в атмосферном воздухе. 6. Сохранить в файле временные параметры (время переднего t0,9п и заднего фронтов t0,9з) откликов при воздействии импульсов водорода концентрациями 0,1 % и 1 %. 7. Используя полученные в п.п. 5 и 6 данные параметры откликов ЧЭ, рассчитать: параметры σ, Δσ, t0,9п, t0,9з; чувствительность S = Δσ/N, при различных концентрациях водорода. Данные внести в табл. 4.1: № пп

N, ppm

1

0

2

100

σ, мкСм

Δσ, мкСм

S, мкСм/ppm

t0,9п, мкс

t0,9з, мкс

…

8. Построить передаточную характеристику датчика σ =f(N), т.е. зависимость проводимости σ от концентрации водорода N, с учетом погрешностей измерений и расчетов. Отчет о лабораторной работе Отчет о лабораторной работе должен содержать: титульный лист с названием работы и фамилиями участников; краткое изложение цели работы; экспериментальные результаты и графическое их представление; результаты оценки погрешностей; заключение. Контрольные вопросы 1. Поясните физический принцип работы полупроводниковых металлооксидных ЧЭ. 2. Какой параметр ЧЭ изменяется при изменении концентрации водорода? 3. Как зависит чувствительность от концентрации водорода? 4. Чем объясняется нелинейность передаточной характеристики? 5. Какие параметры отклика характеризуют быстродействие ЧЭ? 29

Работа 5 ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Цель: экспериментальное исследование основных метрологических характеристик интегрального кремниевого тензорезисторного датчика давления. Введение В микроэлектронных датчиках давления, ускорения и силы в качестве чувствительных элементов могут использоваться различные тензопреобразователи: резисторы, конденсаторы или активные элементы (диоды, биполярные или МДП транзисторы). Для измерения давления тензочувствительные элементы закрепляются на упругих элементах, деформация которых под действием внешних сил приводит к изменению электрических параметров чувствительных элементов. Среди микроэлектронных преобразователей наибольшее распространение получили тензопреобразователи на основе мембранного упругого полупроводникового элемента, который можно создать в монокристаллическом кремнии методом анизотропного травления. Если в качестве чувствительных элементов использовать схему резисторов, сформированных на мембране, то такой ИД называется интегральным мембранным тензорезисторным датчиком давления, который исследуется в данной лабораторной работе. Обычно тензорезисторы соединяются в полномостовую схему. Структура, принципиальная схема и конструкция датчика показаны на рис. 5.1 а и б, где цифрами 1-4 обозначены соответственно R1 - R4. К числу основных относятся следующие метрологические характеристики ИД давления: 1. Чувствительность S = ΔU / ΔP и приведенная чувствительность ΔS = ΔU / (ΔP ⋅ E) , где ΔU – изменения выходного напряжения, соответствующее изменению давления ΔP; E – напряжение питания мостовой схемы. 2. Погрешность нуля U0 – величина выходного напряжения тензомоста при отсутствии давления (Р=0). 3. Температурный коэффициент чувствительности SТ = [ΔS / ( S ⋅ ΔT )] ⋅ 100 %. 30

4. Температурный дрейф погрешности нуля δU0 = [ΔU0 / ( U0 ⋅ ΔT )] ⋅ 100 % . 5. Рабочий диапазон измерения давления обычно определяется заданной линейностью передаточной характеристики U = f ( P ).

Рис. 5.1. Структура (а), принципиальная схема и конструкция (б) интегрального мембранного тензорезисторного датчика давления В работе исследуются передаточная характеристика датчика, определяются рабочий диапазон при заданных нелинейностях передаточной характеристики, чувствительность, температурный коэффициент чувствительности, погрешность нуля и температурный дрейф погрешности нуля. 31

Описание макета Макет и схема для измерения метрологических характеристик интегрального датчика давления представлены на рис. 5.2. Макет представляет собой коммутационную панель, к соответствующим клеммам которой подключают источник питания (УНИП-7), измерительные приборы (вольтметры В7-16) и сам датчик. Переключатель В3 в положениях 1-4 подключает поочередно резисторы R1 - R4 датчика к клеммам “R”, что позволяет измерять значение сопротивления резисторов. В положении 5 переключателя В3 резисторы датчика объединяются в тензомостовую схему, питание на которую подается от вторичного стабилизатора напряжения и регулируется в пределах -1…-5 В переключателем В2. Измерительная диагональ моста при этом подключена к выходным клеммам “UВЫХ”. Используемые устройства и приборы: интегральный датчик давления; эталонный манометр; источник питания УНИП-7; универсальный цифровой вольтметр типа В7-16 или В7-27 – 2 шт.; термостат ТС-16; коммутационная плата. Подготовка к выполнению работы 1. Ознакомиться с описанием работы и рекомендуемой литературой. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Собрать макет в соответствии со схемой рис. 5.2. 4. Включить в сеть термостат, источник питания и вольтметр. Рабочее задание 1. Переключатели на коммутационной плате перевести в следующие положения: В1 – "Выкл", В2 – "1В", В3 – "МОСТ". 2. Переключатели пределов вольтметров, соединенных с клеммами “R” и “Uвых” коммутационной платы, поставить в положения "1кОм" и "1 В" соответственно.

32

Рис. 5.2. Стенд и макет (а); схема (б) для измерения метрологических характеристик ИД давления 3. Напряжение питания на УНИП-7 установить на уровне "-15В". Выключателем В1 включить питание датчика. При этом начальный разбаланс мостовой схемы датчика не должен превышать величину 75 мВ. 4. Подавая на датчик давление, грубо оценить рабочий диапазон давлений датчика, определив величину давления, при которой изменение сигнала разбаланса моста составляет 2 % от напряжения питания датчика. 5. Произвести измерения сопротивлений отдельных тензорезисторов и значение напряжения разбаланса моста в зависимости от давления в 10 точках в пределах рабочего диапазона измерения давления. 33

Результаты измерений занести в табл. 5.1. Таблица 5.1 №№ 1 2 ... 10

Р, атм

R1, Ом

R2, Ом

R3, Ом

R4, Ом

U, мВ

6. Оценить величину гистерезиса передаточной характеристики датчика. Для этого необходимо выдержать датчик при верхнем измеряемом давлении в течение 10-12 мин, быстро снизить давление до нуля и сравнить значения разбаланса датчика до и после выдержки под давлением. 7. Поместить датчик в термостат, включить нагрев и провести измерения сопротивлений резисторов и разбаланса моста U в зависимости от давления при температурах +40 и +60 °С. 8. Результаты занести в табл. 5.1. Обработка результатов измерений 1. Построить передаточные характеристики датчика при температурах 20, 40 и 60 °С. 2. Оценить рабочие диапазоны датчика при нелинейности характеристик ≤ 1 %, ≤ 2 %, ≤ 3 %. 3. По наклону характеристик определить средние значения чувствительности для трех температур. Определить величину температурного коэффициента чувствительности SТ. 4. Определить величину температурного дрейфа нуля датчика δUО. 5. Построить зависимости сопротивлений отдельных тензорезисторов от давления при Т = 20 °С. Сравнить между собой линейность соответствующей передаточной характеристики и характеристик отдельных тензорезисторов. 6. Основные характеристики датчика занести в табл. 5.2. Таблица 5.2 U0, мВ

Rср , Ом

ΔP, Па с нелин. 1% 2% 3%

δ, %

34

S, мВ/Па

Sт, %/В °С

δU, %

Контрольные вопросы 1. Каков физический смысл тензорезистивного эффекта? 2. Назовите основные метрологические характеристики датчиков давления. 3. Чем определяется рабочий диапазон измерений давления? 4. Почему обычно используется полномостовая схема включения тензорезисторов? 5. Какие типичные толщины кремниевой мембраны в интегральном датчике? 6. Чем определяется температурная нестабильность интегральных датчиков давления? 7. Назовите области применения интегральных датчиков давления.

35

Работа 6 ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ Цель работы: экспериментальное исследование основных метрологических характеристик интегрального кремниевого датчика магнитного поля с частотным выходом. Введение Интегральные датчики магнитной индукции являются разновидностью полупроводниковых кремниевых ДМП, отличающиеся наличием на одном кристалле интегрированных элементов первичного и вторичного преобразования. Такая интеграция позволяет, например, создавать датчики магнитной индукции, имеющие частотный выход, что упрощает стыковку датчиков с цифровыми системами обработки и повышает помехоустойчивость канала передачи за счет слабого влияния внешних помех на частотно-модулированный сигнал. Исследованию работы такого интегрального датчика посвящена данная работа. Датчик содержит специальную область, чувствительную к направленному параллельно плоскости кристалла магнитному полю, а также интегрированные с ней две цепи кольцевых генераторов и буферные выходные каскады. Кольцевые генераторы выполнены в базисе инжекционно-полевой логики. Особенностью данного базиса является наличие линейной зависимости частоты выходного сигнала кольцевого генератора от величины тока инжектора: fвых = h21и Iи / UЭБ* n ∑Cj , где h21и – коэффициент передачи тока инжектора к вентилям генератора, Iи – ток инжектора, ∑Cj – сумма паразитных емкостей вентилей, n – число вентилей в генераторе и UЭБ* – падение напряжения на открытом p-n переходе. Наличие специальной магниточувствительной области позволяет модулировать коэффициент передачи h21и в зависимости от магнитного поля с помощью эффекта Холла, при этом относительная чувствительность выходной частоты генератора составляет: Sf = 100% amn Iб / 2qNД m ϕT L, где amn – холл-фактор, Iб – ток основных носителей заряда (ОНЗ) в области инжектор-вентили, q – заряд электрона, NД – исходная концен36

трация ОНЗ в подложке, mϕT – тепловой потенциал, L – ширина протекания тока ОНЗ (области инжектор-вентили). Реальный датчик содержит два кольцевых генератора с общим инжектором, расположенных так, что при воздействии магнитного поля частота на выходе одного генератора растет, другого – падает, а информативным параметром является разность частот. Дифференциальный выход позволяет повысить чувствительность датчика и снизить температурный и временной дрейф. Исследуемый датчик выполнен по стандартной полупроводниковой интегральной технологии с двумя операциями диффузии и имеет размеры кристалла и чувствительной области 1 мм2 и 80х70 мкм2 соответственно. Датчик имеет два выхода и два управляющих входа: тока базы Iб, определяющего относительную чувствительность датчика, и тока инжектора Iи – для установки начальной частоты сигналов на выходах. Описание измерительного стенда Структурно-функциональная схема измерительного стенда представлена на рис. 6.1. Стенд содержит образцовый соленоид с измерителем магнитного поля Ш1-8 и источником питания ТЕС-88, источники питания макета ТЕС-88, частотомер Ч3-55, осциллограф С1-92 и макет.

Рис. 6.1. Структурно-функциональная схема измерительного стенда

Измерительный стенд обеспечивает генерацию постоянного магнитного поля в диапазоне от -300 до +300 мТл, задание токов базы Iб и инжектора Iи в диапазоне 0 - 0,7 мА и 1 - 5 мкА соответственно, а также 37

раздельное измерение частоты сигнала на двух дифференциальных выходах датчика. Коммутация измеряемого выхода датчика производится переключателем F1/F2 на макете. Подготовка к выполнению работы 1. Ознакомиться с описанием работы и рекомендуемой литературой. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Собрать макет в соответствии со схемой рис. 6.1. 4. Включить в сеть частотомер, магнитометр, источники питания и осциллограф. Рабочее задание 1. Установить регуляторами на макете ток инжектора датчика равным 2 мкА, а ток базы – 0. Установить регулятором тока источника ТЕС-88, подключенного к соленоиду, индукцию магнитного поля, равную 0. Величина индукции измеряется магнитометром Ш1-8. Используя осциллограф, убедиться в наличии устойчивой генерации на обоих выходах датчика. Для переключения выходов использовать тумблер на макете. Измерить и записать в таблицу показания частотомера для обоих выходов. 2. Повторить измерения п.1 для значений тока базы 0,3; 0,5 и 0,7 мА. 3. Повторить измерения п.п.1-2 для значения тока инжектора 4 мкА. 4. Повторить измерения п.п.1-3 для значений индукции магнитного поля -20, -40, -60, -100, -150, -200, -300, 20, 40, 60, 100, 150, 200, 300 мТл. Обработка результатов измерений 1. Построить передаточные кривые датчика для трех значений тока базы и двух значений тока инжектора. 2. Для каждого тока инжектора и для случаев Iб = 0,3; 0,5 и 0,7 мА рассчитать чувствительность, порог чувствительности, динамический диапазон, нелинейность, остаточный сигнал. Вычислить относительную чувствительность (по отношению к средней выходной частоте). 3. Построить кривые зависимости чувствительности от тока инжектора и тока базы. Выбрать, исходя из графиков оптимальный режим работы датчика.

38

Контрольные вопросы 1. Построить передаточные кривые датчика для трех значений тока базы и двух значений тока инжектора. 2. В чем заключается принцип работы интегрального датчика магнитного поля с частотным выходом? 3. Каковы основные метрологические параметры таких датчиков? 4. Как влияют на передаточную характеристику датчика значения рабочих токов и почему? 5. Есть ли у интегрального датчика погрешность нуля? Если есть, то чем она вызвана? 6. Как определяется оптимальный режим работы интегрального датчика? 7. В чем заключается принцип работы интегрального датчика магнитного поля с частотным выходом? 8. Каковы основные метрологические параметры таких датчиков? 9. Как влияют на передаточную характеристику датчика значения рабочих токов и почему? 10. Есть ли у интегрального датчика погрешность нуля? Если есть, то чем она вызвана? 11. Как определяется оптимальный режим работы интегрального датчика? 12. Назовите области применения магниточувствительных датчиков.

39

Работа 7 ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА Цель: экспериментальное исследование основных метрологических характеристик интегрального кремниевого датчика водорода. Введение Интегральные полупроводниковые датчики малых концентраций газообразного водорода могут включать в себя различные сенсорные (чувствительные) элементы: МДП-конденсаторы, МДП-транзисторы и резисторы. С точки зрения чувствительности, быстродействия и стабильности наилучшими являются МДП-транзисторные чувствительные элементы, метрологические характеристики которых воспроизводимо зависят от типа и толщины рабочих металлов, температуры кристалла и технологических факторов изготовления. В данной работе исследуются характеристики интегрального кремниевого датчика на основе чипа, содержащего водородочувствительный МДП-транзистор с палладиевым затвором, резисторный нагреватель, термодатчик и тестовый транзистор с алюминиевым затвором. Размеры чипа – 2 х 2 мм2. Для изготовления сенсоров использовалась стандартная интегральная полупроводниковая nМДП-технология. Физический принцип работы такого датчика заключается в изменении порогового напряжения МДП-транзистора U в результате увеличения положительного заряда в структуре Pd-диэлектрик-полупроводник под действием газообразного водорода, абсорбированного в тонком слое (30-50 нм) палладиевой плёнки. С ростом концентрации водорода положительный заряд в МДП-структуре увеличивается по нeлинейному закону. Чувствительность таких сенсоров зависит от температуры чипа (в данной работе температура кристалла поддерживается в пределах 125-130 °C).

40

N, ppm 1500 Впуск

Выпуск водорода

1000

500

t, сек 0

0

50

100

150

U, мВ

200

dU

200

ΔU

150 t1

t2

100

t, се к 50 0

50

100

150

200

Рис. 7.1. Отклик датчика и его параметры

В работе исследуются следующие метрологические характеристики интегрального кремниевого датчика водорода: отклик (зависимость U=f(t) при импульсном изменении концентрации водорода N) и его параметры ΔU, t1, t2 и dU (рис. 7.1); 41

чувствительность S = ΔU/ΔN при различных концентрациях водорода; передаточная характеристика U = f ( N ). Описание измерительного стенда и макета Структурно-функциональная схема измерительного стенда представлена на рис. 7.2. Стенд содержит следующие устройства и приборы: источник (генератор) водорода 1, блок питания В5-7 2, источник питания макета УНИП-7 3, вольтметр В7-27А/1 4, компьютер с монитором 5, макет 6, герметичную камеру 7, интегральный датчик водорода 8 и тумблер 9. Упрощённая принципиальная схема макета показана на рис. 7.3. Напряжение питания схемы двуполярное и равное Е = ±15В получают с помощью стабилизатора, выполненного на микросхеме 142ЕН5.

7

5

8 6

−

+ 4

3

“ON” “OFF”

9

⇑ 1

компьютер 2

Рис.7.2. Структурно-функциональная схема измерительного стенда

42

Рис. 7.3. Упрощённая принципиальная схема макета

Данная схема обеспечивает измерение напряжения затвора Uз = U водородочувствительного МДП-транзистора датчика в режиме постоянных тока истока I и напряжения Uси. В этом случае при токах I, меньших тока стока насыщения Iн, изменение порогового напряжения МДП-транзистора ΔUо равно изменению напряжения на затворе ΔU. Поэтому передаточной характеристикой всей измерительной схемы для данного ИД является зависимость U = f ( N ). Подготовка к выполнению работы 1. Ознакомиться с описанием работы и рекомендуемой литературой. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Собрать макет в соответствии со схемой рис. 7.2. 4. Включить в сеть генератор водорода, компьютер и монитор, источники питания и вольтметр. 5. Дать возможность приборам прогреться в течение 10-15 мин. Рабочее задание 1. Вставить ИД в разъём измерительной схемы макета в соответствии с цоколёвкой датчика. Поместить схему с датчиком в испытательную камеру и закрыть плотно крышку камеры. 2. Измерить с помощью вольтметра и записать значение U = Uоо при комнатной температуре кристалла (т.е. нагреватель кристалла отключён, тумблер 9 (см. рис. 7.2) должен находиться в положении “OFF”). 43

3. Включить нагреватель кристалла переключением тумблера 9 в положении “ON”. Измерить и записать значение U = U0 сразу, через 1 мин и через 5 мин. 4. Включить монитор в режим “измерение”. 5. Измерить с помощью монитора отклик ИД под действием водорода с концентрацией N = 1000 ppm ≈ 0,1 об %, т.е. зависимость U(t) до достижения установившегося значения U после впуска водорода в камеру и после выпуска водорода из камеры (см. рис. 7.1). Впуск водорода в камеру 7 (см. рис. 7.2) осуществляется с помощью шприца путём забора из источника водорода 1 определённого количества газа и введения его в камеру в соответствии со следующими соотношениями: 0,1 % ⎯ 1000 ppm ⎯ 1 мл; 0,2 % ⎯ 2000 ppm ⎯ 2 мл; 0,4 % ⎯ 4000 ppm ⎯ 4 мл; 0,8 % ⎯ 8000 ppm ⎯ 8 мл. Выпуск водорода производится посредством открывания крышки камеры и извлечения макета с ИД на воздух. 6. Сделать распечатку мониторной записи с указанием номера ИД, даты и времени эксперимента, концентрации водорода, а также масштабов по осям U и t. 7. Повторить п.п. 4, 5 и 6 рабочего задания для концентраций водорода 2000 ppm , 4000 ppm и 8000 ppm. 8. Используя полученные твёрдые копии (распечатки) откликов ИД, рассчитать параметры откликов ΔU, t1, t2 и dU (см. рис. 7.1), а также чувствительность S = ΔU/ΔN при различных концентрациях водорода. Данные внести в табл. 7.1. Таблица 7.1 № N, ppm ΔU, мВ t1, с t 2, с dU, мВ S, мВ/ppm 1 2 3 4 9. Построить графики зависимостей параметров откликов от концентрации водорода N и передаточную характеристику U = f(N) с учётом погрешностей измерений и расчётов.

44

Отчёт о лабораторной работе Отчёт о лабораторной работе должен содержать: краткое изложение цели работы; чертёж схемы макета; список используемых приборов; результаты теоретических расчётов; экспериментальные результаты. Контрольные вопросы 1. Поясните физический принцип работы исследуемого датчика. 2. Какой параметр МДП-транзисторного чувствительного элемента интегрального датчика изменяется при изменении концентрации водорода? 3. Как можно объяснить нелинейность передаточной характеристики? 4. Какие параметры отклика характеризуют быстродействие датчика? 5. Как зависит чувствительность датчика от концентрации водорода? Почему так? 6. Назовите области применения водородочувствительных датчиков.

45

Работа 8 ЭЛЕКТРОННЫЙ ТЕРМОМЕТР НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО ДАТЧИКА DS18B20 Цель работы: исследование инерционности электронного термометра на основе интегрального цифрового датчика температуры DS18B20. Введение Интегральные полупроводниковые датчики температуры (ИПДТ) применяются в измерительной технике более 25 лет. Ведущей в разработках таких датчиков является фирма «Analog Devices», которая серийно выпускает ИПДТ с токовым выходом (серии AD590), с выходом по напряжению (серии TMP35-37) и с цифровым выходом (серии DS18B20). В основе работы перечисленных ИПДТ лежит так называемая схема РТАТ, в которой разность напряжений на эмиттерных переходах двух выходных транзисторов пропорциональна абсолютной температуре. В работе 1 данного лабораторного практикума исследуются функции преобразования p-n перехода при малых прямых токах, которые представляет линейную зависимость напряжения от температуры, так же как и в схеме РТАТ. В данной работе предполагается исследовать инерционные свойства интегрального цифрового датчика температуры DS18B20 в составе электронного термометра. Интегральный термодатчик DS18B20 представляет собой 1– проводный цифровой термометрический преобразователь с программируемым разрешением. Такие термодатчики используются в качестве термометров или сигнализаторов с цифровым вводом/выводом данных, характеризующихся точностью измерений ±0,5°C. Внешний вид ИПДТ в корпусах типа ТО-92 и 8-контактном SOIC показан на рис. 8.1. Данные с термодатчика считываются через 1-проводную последовательную шину (DQ) в дополнительном 9…12-битном коде (программируемом пользователем) с ценой младшего разряда от 0,5 до 0,0625 °C.

46

Рис. 8.1. Внешний вид термодатчика

Каждая микросхема DS18B20 имеет уникальный неизменяемый 64битный серийный номер, используемый при адресации и идентификации датчика. Это позволяет подключать к однопроводной шине до 80 распределенных в пространстве микросхем DS18B20. Для микросхемы DS18B20 предусмотрено использование внешнего питания от 3,0 до 5,5 В или паразитного питания от линии данных. Структура термодатчика приведена на рис. 8.2. Основные технические характеристики термодатчиков DS18B20: • рабочий диапазон измерений -55…+125 °C; • погрешность измерений ±0,5 °C в диапазоне температур -10… +85 °C; • настраиваемое пользователем разрешение термометра от 9 до 12 бит; 47

• использование 1-проводного последовательного интерфейса для передачи данных; • рабочее напряжение питания 3,0… 5,5 В; • возможность использования паразитного питания от линии данных.

Рис. 8.2. Структура термодатчика DS18B20

Термодатчик DS18B20 может использоваться для управления температурой в термостате. Для этого в составе внутренней энергонезависимой памяти (EEPROM) предусмотрены два регистра TL и TH, в которых хранятся значения нижней и верхней граничных температур, задаваемых пользователем. При выходе значения измеренной температуры за пределы граничных температур, выдается управляющий сигнал («тревоги»). В сверхоперативной памяти (scratchpad) содержится двухбайтный регистр, в котором хранится значение температуры с чувствительного термоэлемента (temperature sensor). Помимо этого сверхоперативная память обеспечивает доступ к однобайтным регистрам TL и TH и регистру конфигурации, в котором содержится задаваемая пользователем точность измерений (разрешение преобразования температуры в диапазоне 9…12 бит). Регистры TL, TH и конфигурации входят в состав энергонезависимой памяти (EEPROM), поэтому данные, находящиеся в них, хранятся при отключении термодатчика от питания. Погрешность измерения температуры содержит статическую и динамическую составляющие. Статическая погрешность определяется 48

погрешностью средства измерения после установления выходного сигнала при ступенчатом изменения температуры (в данном случае она лежит в пределах ±0,5 °C в диапазоне температур -10… +85 °C). Динамическая погрешность определяется как разность полной погрешности и статической погрешности в период переходного процесса выходного сигнала средства измерения при ступенчатом изменении температуры. Абсолютное значение динамической погрешности можно аппроксимировать выражением ΔТД = ΔТД0·exp(-t/τ0), где τ0 – постоянная времени переходного процесса. Параметр τ0 характеризует быстродействие (инерционность) измерительного средства. Величина τ0 зависит от многих факторов: массы, теплоёмкости, формы и начальной температуры датчика, состава и температуры окружающей среды. Обычно инерционность датчика и термометра оцениваются по временным параметрам τ1 и τ2 для переднего и заднего фронтов их «откликов» – импульсной переходной характеристики (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Импульсная переходная характеристика термометра

Описание измерительного стенда и макета В состав измерительного макета входят термодатчик DS18B20 4, контактирующее устройство 3, адаптер USB порта 2, компьютер 1, термошкаф 6, терморегулятор 5, термопара 7 (рис. 8.4). Для измерения времени можно использовать секундомер.

49

Рис. 8.4. Структурно-функциональная схема измерительного макета

Подготовка к выполнению работы 1. Ознакомиться с описанием работы. 2. Ответить на контрольные вопросы. 3. Собрать макет в соответствии со схемой рис. 8.4. 4. Включить в сеть компьютер и источник питания измерительного макета. 5. Дать возможность стабилизироваться показаниям датчика в течение 5 мин. Рабочее задание 1. Оценить инерционность термостата на основе измерения переходной характеристики термопары в диапазоне температур от комнатной до 100 °С: - включить термостат; - записывать показания термопары в зависимости от времени в диапазоне температур от комнатной до 100 °С в табл. 8.1 или зафиксировать мониторную запись зависимости Т(t) на компьютере; - оценить статическую погрешность измерений; - построить переходную характеристику термопары; - оценить инерционность термостата. 50

Таблица 8.1 № измерения

Время, мин

Температура, °С

Погрешности Δt, с

ΔT, °С

δT

1 2 ……………………………………………………………… n 2. Измерить импульсную переходную характеристику («отклик») термометра на основе интегрального датчика DS18B20 в диапазонах температур 25…100 °С и 25…110 °С: - установить температуру в термостате 100 °С; - записать показания термометра при комнатной температуре; - вставить датчик в термостат; - записывать в табл. 8.2 показания термометра в зависимости от времени в диапазоне температур от комнатной до 100 °С или зафиксировать мониторную запись зависимости Т(t) на компьютере до установления постоянного значения температуры; - извлечь датчик из термостата; - записывать в табл. 8.2 показания термометра в зависимости от времени в диапазоне температур от 100 °С до комнатной или зафиксировать мониторную запись зависимости Т(t) на компьютере до установления постоянного значения температуры; - построить импульсную переходную характеристику термометра; - построить временную зависимость динамической погрешности термометра; - оценить относительную погрешность измерений δT; - оценить инерционность термометра (определить параметры {τi}). Таблица 8.2 № измерения 1 2

Время, с

Температура, °С

Погрешность, δT

……………………………………………………… n - установить температуру в термостате равной 120 °С; 51

- записать показания термометра при комнатной температуре; - вставить датчик в термостат; - записывать в табл. 8.2 показания термометра в зависимости от времени в диапазоне температур от комнатной до 120 °С или зафиксировать мониторную запись зависимости Т(t) на компьютере до установления постоянного значения температуры; - извлечь датчик из термостата; - записывать в табл. 8.2 показания термометра в зависимости от времени в диапазоне температур от 120 °С до комнатной или зафиксировать мониторную запись зависимости Т(t) на компьютере до установления постоянного значения температуры; - построить импульсную переходную характеристику термометра; - оценить относительную погрешность измерений δT; - построить временную зависимость динамической погрешности термометра; - оценить инерционность термометра (определить параметры {τi}). 3. Определить статическую погрешность измерений термометра относительно измерений термопары. 4. Подготовить отчёт о лабораторной работе. Отчет о лабораторной работе Отчет о лабораторной работе должен содержать: титульный лист с названием работы и фамилиями участников; краткое изложение цели работы; экспериментальные результаты и графическое их представление; результаты оценки погрешностей. заключение. Контрольные вопросы 1. Поясните физический принцип работы полупроводниковых термочувствительных элементов на основе p-n переходов. 2. Какой параметр чувствительного элемента датчика DS18B20 изменяется при изменении температуры? 3. Как зависит чувствительность датчика от температуры? 4. Что такое статическая и динамическая погрешности? 5. Какие параметры «отклика» характеризуют быстродействие термометра? 6. От каких факторов зависят временные параметры «отклика»? 52

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная: 1. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006. 2. Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю. Химические сенсоры. М.: МИФИ, 2003. 3. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. 4. Подлепецкий Б.И. Микроэлектронные датчики для измерения параметров радиации. М.: МИФИ, 1990. Дополнительная: 1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 2. Како Н., Насонэ Н. Датчики и микро-ЭВМ. М.: Мир, 1988. 3. Виглеб Г. Датчики: устройство и применение. М.: Мир, 1989.

53

Подлепецкий Борис Иванович, Гуменюк Сергей Васильевич, Никифорова Марина Юрьевна, Самотаев Николай Николаевич

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ» Учебное пособие

Редактор Шумакова Н.В. Оригинал-макет изготовлен Подлепецким Б.И. Подписано в печать 29.10.10 Формат 60х84 1/16 Печ.л. 3,5 Уч.-изд.л. 3,5 Тираж 125 экз. Изд. № 017-1 Заказ № 37 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Типография НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское шоссе, 31