Міністерство освіти і освіти України

(

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ інженерно-фізичний інститут

(технічний університет)

Кафедра N0 39

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

До дипломних ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:

Розробка аналізатора газів на базі газового сенсора RS 286-620

Студент -дипломник Піменов Олексій Андрійович.

Керівник проекту к. ф.-м. н. Крівашеев Сергій Володимирович

Консультант д. ф.-м. н. Федорович Геннадій Вікторович

Рецензент Рижов Валерій Валентинович

Завідувач кафедрою

Москва - 1999 р.

Зміст

Зміст 2

Введення 4

Постановка задачі 4

Можливі шляхи вирішення 4

Огляд літератури 6

Що зроблено іншими розробниками в цьому напрямі. 6

Огляд сучасних напівпровідникових газових датчиків 6

Огляд мікроконтролерів для обробки сигналів 7

Вибір елементної бази для вимірювальної частини. 8

Вибір пристрою відображення інформації 8

Опис приладу 9

Опис сенсора RS286-620 9

Фізичні основи роботи приладу. 10

Залежність кількості адсорбованих молекул від температури. 14

Принципи обробки сигналів сенсора 16
Гіпотеза лінійної аддитивності сигналів. 16
Особливості побудови алгоритму визначення концентрацій. 17
Відповідність між термограммамі і парціальними провідності. 19

Структурна схема та основні елементи приладу 20
Принципи роботи приладу. 20
Вимірювальна частина приладу. 20
Процесорна частину приладу. 22
Блок живлення. 23
Пристрій відображення інформації. 23

Результати випробувань приладу (термограмми деяких речовин і сумішей) 24
Налагодження та калібрування аналізатора. 24

Алгоритм роботи приладу 26

Висновок 28

Використана література. 29

Програми 31

Додаток 1. Структурна схема приладу. 31

Додаток 2. Принципова схема приладу 32

Додаток 3. Принципи зберігання інформації в ПЗУ даних. Еталоннітермограмми, прошиті в ПЗУ приладу. 33

Додаток 4. Контрольний приклад і визначення точності алгоритму обробкиданих. 35

Додаток 5. Результати вимірювань забруднення повітря. 36

Додаток 6. Результати визначення хімічного складу газової суміші. 38

ріложеніе 7. Опис і характеристики газового сенсора RS 286-620 44

Додаток 8. Вольт-кодова характеристика вимірювального блоку на базі ОУ
AD820. 45

Додаток 9. Опис і характеристики пристрою відображення інформації.
46

Додаток 10. Розрахункові графіки залежності кількості носіїв зарядувід температури напівпровідникової плівки. 47

Додаток 11. Еталонні термограмми і таблиця взаємних кореляцій длядеяких речовин. 48

Введення

Постановка завдання

В даний час на кафедрі 39 ведуться роботи зі створення комплексноїсистеми екологічного моніторингу за проектом МНТЦ N 484. Одним знапрямків робіт з цього проекту є розробка універсальногоаналізатора газової суміші.

Універсальний аналізатор газової суміші є одним з периферійнихблоків системи і призначається для моніторингу вмісту різниххімічних речовин в навколишньому прилад газової суміші.

У ході робіт над проектом вивчалися різні методики моніторингухімічного складу газової суміші. Після різнобічного аналізу наявнихможливостей було встановлено, що застосувати для вирішення поставленоїзавдання існуючі готові прилади неможливо. Встала задача розробкинового аналізатора газової суміші. Вимоги, що пред'являються до приладу:
Універсальність. Можливість визначати концентрації різних хімічнихречовин без чутливих елементів заміни і настройки приладу на ціречовини.
Чутливість приладу на рівні до одиниць об'ємних відсотків.
Необхідність обробки результатів вимірювання на місці і передачі вцентральний блок тільки готових результатів.
Можливість роботи як у складі системи так і автономно.
Працює з інформаційних протоколів приладу до стандарту RS-232.
Модульна побудова.
Малі габарити.
Низьке енергоспоживання.

Роботи над створенням такого приладу було започатковано на кафедрі в грудні
1997

Можливі шляхи вирішення

В даний час в прикладної хімії одним з найбільш поширенихметодів контролю стану навколишнього середовища є газова хроматографія.
Хроматографія - гібридний метод: спочатку на колонці в потоці аналізованогогазу відбувається розділення суміші на окремі компоненти, а потім детектор,розташований після хроматографічне колонки, визначає змістрозділених сполук в потоці газу-носія. Газохроматографічнихдетектор представляє собою вимірювальний прилад, який виявляєприсутність в газі-носії компонентів, що відрізняються від газу-носія зхімічним складом, і перетворює цю інформацію в електричний сигнал.
Різноманіття вимог сприяло появі цілої низки детекторів,що відрізняються за своїми властивостями (чутливості, селективності,динамічного діапазону та ін.)

Позитивні газохроматографічних методів слід віднести високуселективність і точність. В основному це пов'язано з гарною розробленоюметодів інтерпретації результатів вимірів. Як конструкція детекторів,так і методи обробки результатів, відпрацьовувалися протягом десятківроків і в даний час розроблено високочутливі методи,що дозволяють виявляти навіть фемтограмми речовини. Однак ці результатиотримані за рахунок надзвичайно складних (і, відповідно, дорогих)конструкцій газових хроматографів, робота на яких вимагає великих витратробочого часу висококваліфікованого персоналу.

Для простих застосувань, коли можна обійтися невеликою точністю іселективністю, застосовують газові датчики, що виробляють більш-меншспецифічні для різних речовин електричні сигнали. При цьомувикористовуються різні фізичні та хімічні ефекти, що реалізуються в
Термокондуктометріческіх осередках (для виявлення СО2, SO2, SF6 та інгазів).
Термохімічних (каталітичних) осередках (для виявлення CO, вибухонебезпечнихі горючих газів).
Напівпровідникових датчиках (спирти, вуглеводні, токсичні гази).
Паливних осередках (кисень).

Прилади, засновані на використанні газових датчиків, відрізняютьсявідносною простотою конструкції, невеликою ціною та простотою вповодженні з ними, що дозволяє користуватися ними персоналу що не маєспеціальної підготовки. До недоліків таких приладів відносяться їхня низькачутливість і селективність. Ці прилади використовуються там, денеобхідно визначати концентрацію домішок на рівні одиниць (рідко --часток) об'ємних відсотків і вище. Що стосується селективності, то зазвичайпотрібна попередня інформація про те, який газ (з групи газів,впливають на сенсор) присутня в повітрі, після чого результативимірів можна інтерпретувати в термінах його концентрації.

Представляє безперечний інтерес можливість створення аналізаторагазів, що поєднує переваги газових хроматографів (високачутливість і селективність) і газових датчиків (простотавикористання та оперативність вимірів). Мова може йти про деякекомпроміс: навряд чи можна сподіватися на створення датчика з параметрамигазового хроматографа і ціною газового датчика, однак принциповеполіпшення параметрів газових датчиків при збереженні відносної (повідношенню до газовий хроматограф) простоти конструкції і обслуговуванняпредставляється можливим. Певні перспективи тут відкрилися післярозробки та освоєння масового виробництва напівпровідникових газовихдатчиків. Принцип дії таких датчиків заснований на явищі зміниелектричного опору тонкоплівкового напівпровідника при абсорбціїна його поверхні молекул різних газів. Останні стають донорами
(або акцепторами) електронів в зону провідності напівпровідника. Чимбільше концентрація молекул в навколишньому плівку газі, тим більше числоабсорбованих на поверхні молекул, і тим більше змінаопору плівки. Як число абсорбованих молекул, так ірезультуюче зміна електропровідності плівки залежать від температури.

Якщо поставити собі за мету підвищення селективності вимірювань, слід мати наувазі, що незважаючи на якісну однотипність, температурні залежностіопору (нижче, для стислості, будемо називати їх термограммамі)напівпровідникового сенсора в присутності різних газів розрізняються. Нижчеописана методика визначення складу газової суміші, яка грунтується наприпущенні про лінійної аддитивності термограмм, і її апаратнареалізація, застосована в прилади.

Слід зазначити, що отримані на цьому етапі дослідженнярезультати як по чутливості, так і по селективності розробленийаналізатор газів поступається сучасним газохроматографічних аналізатора.
Треба мати на увазі, однак, що це перший крок у напрямку модифікаціїметодів роботи з напівпровідниковими газовими сенсорами. Завдання дослідженьна цьому етапі полягала в основному у визначенні перспективностіописуваного напрямку. У цьому відношенні отримані результатипредставляються цілком обнадійливими - показано, що звичайнийнапівпровідниковий сенсор можна використовувати для селекції окремих газів вдовільної суміші.

Огляд літератури

Що зроблено іншими розробниками в цьому напрямку.

Серед робіт з вивчення властивостей напівпровідників помітну роль займаютьроботи з вивчення взаємодії напівпровідникових плівок і хімічнихречовин. [2], [5].

Більшість таких робіт орієнтовані на визначення вмісту в газібудь-якої конкретної домішки. Наприклад, в [5] досліджено впливлегування міддю на електропровідність і сенсорні властивості плівок SnO2.
Запропонована модель, яка пояснює підвищену чутливість до SnO2сірководню. В даному випадку зміна провідності провідностіобумовлено хімічним взаємодією електрично активної міді із сіркоюу всьому об'ємі плівки.

Найбільш вражаючі результати щодо створення універсальних аналізаторівгазової суміші на основі напівпровідникових датчиків були досягнуті привикористанні в якості детектора набору з декількох десятків однотипнихнапівпровідникових плівок, по різному легованих домішками, що створюютьзначно віддалені від кордонів забороненої зони рівні. Залежно відположення домішкових рівня забруднювача максимальне збільшенняпровідності відбувається в одній з таких осередків. Висновки про характерприсутніх у газової суміші забруднювачів робляться на основісукупності сигналів від всіх осередків приладу. Такий прилад, фактично,являє собою змонтований в одному корпусі набір напівпровідниковихдетекторів, кожен з яких реагує на якийсь певнийречовина. Досить докладно такий датчик описаний в [7].

Огляд сучасних напівпровідникових газових датчиків

При вивченні електричних властивостей напівпровідників було встановлено,що їх провідність істотно змінюється при появі в напівпровідникудомішок (процес легування напівпровідника). Теоретичне обгрунтуваннятакої зміни на прикладі моделі Корніга-Пенні дано, наприклад, в [4] і
[12]. Якщо кристал напівпровідника являє собою тонкунапівпровідникову плівку, то адсорбція на його поверхні молекул знавколишнього напівпровідник газового середовища так само приводить до зміни йогоелектричних властивостей. Поведінка тонких напівпровідникових плівокрозглядається в [1] - [3]. В даний час явище зміни провідностітонких напівпровідникових шарів при адсорбції на їхній поверхні різниххімічних речовин досить широко використовується для створеннянапівпровідникових газових датчиків [2], [5]. Найбільш поширенимматеріалом для виготовлення газових датчиків в даний час єпористий кремній.

В даний час розроблено і серійно випускається кілька сімействгазових датчиків. Основним недоліком всіх таких датчиків є їхспрямованість на певний вид хімічної речовини-забруднювача абона визначення забрудненості повітря в цілому.

Основними напрямками в розробці газових датчиків єрозробки

. Датчиків забрудненості повітря (Air quality sensors)

. Датчиків токсичних газів

. Датчиків вуглекислоти

. Датчиків органічних газів

. Датчиків вуглекислого газу

. Датчиків вибухонебезпечних газів

. Датчиків отруйних газів

Основними постачальниками цих приладів є фірми

. PAX Analytics Inc.

. Senco Sensors Inc.

. Monox Limited.

. RS-Components

. Capteur

Докладні порівняльні характеристики датчиків наведені в [7] і [8]/

На відміну від інших комплектуючих приладу, при виборі газовогодатчика слід брати до уваги міркування доступності тих чи іншихприладів (ціна, можливість придбання в Росії). При виборі сенсора RS
286-620 до уваги приймалися і ці міркування. Як показалиексперименти, даний тип сенсора не має гарну повторюваністюрезультатів на різних примірниках датчика. Необхідна індивідуальнакалібрування кожного датчика для газового аналізатора.

Основні вимоги, що пред'являються до датчика:

1. Повторюваність результатів вимірювань (термограмм) при заміні датчика.

2. Низька теплова інерційність датчика.

3. Температура датчика не менш 250оС при напрузі на нагрівачі 5В.

Огляд мікроконтролерів для обробки сигналів

При виборі мікроконтролера для приладу висувалися наступнівимоги
Працює з рівнів і тривалостей сигналів з іншими блоками системиекологічного моніторингу.
Можливість прямої адресації не менше 64 До Байт зовнішньої пам'яті.
Зручність при програмуванні.
Мінімальна кількість периферійних елементів.
Невисока вартість.

Вчасно попередніх розробок на кафедрі був накопичений багатий досвідроботи з мікропроцесорами сімейства MCS-51. Для прискорення розробкимікроконтроллер для приладу вибирався з модельного ряду MCS-51.

Нижче наведені порівняльні характеристики деяких мікроконтролерівцього сімейства.

80 C 51 BH - 8 розрядний MCS-51 сумісний мікроконтроллер. 4Кбайт

ПЗУ. 128 байт ОЗП. 4 порту введення/виводу. 2 програмованих

16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 C 51 FA - 8 розрядний MCS-51 сумісний мікроконтроллер. 256 байт ОЗП. 4 порту введення/виводу. 3 програмованих 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 C 31 - 8 розрядний MCS-51 сумісний мікроконтроллер. 128 байт ОЗП. 4 порту введення/виводу. 2 програмованих 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 C 32 - 8 розрядний MCS-51 сумісний мікроконтроллер. 256 байт ОЗП. 4 порту введення/виводу. 3 програмованих 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

87 C 51 FC - 8 розрядний MCS-51 сумісний мікроконтроллер.

32Кбайт ПЗУ. 256 байт ОЗП. 4 порту введення/виводу. 3 програмованих 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

В якості основи процесорної частини приладу був узятий мікроконтроллеркласу 80C51BH виробництва компанії Atmel - АТ89С51.

Детальні характеристики мікроконтролерів сімейства MCS-51 наведено в
[16], а опис мікросхеми АТ89С51 - в [9].

Вибір елементної бази для вимірювальної частини.

Призначенням вимірювальної частини приладу є виміропору на чутливому елементі газового датчика, йогоперетворення в цифровий код і подальша передача цього коду вмікропроцесор для обробки. Опір датчика визначається з падіннянапруги на ньому. Оскільки струм, що протікає через чутливий елементдатчика є величиною того ж порядку, що і струми протікають повимірювальних ланцюгів сучасних аналого-цифрових перетворювачів, то дляусунення спотворень від АЦП необхідно застосувати гальванічну розв'язку. УЯк така розв'язки доцільно застосовувати операційний підсилювач зодиничним коефіцієнтом посилення.

При виборі мікросхеми АЦП основними критеріями відбору єнаступні
Діапазон вимірюваних напруг 0-5 В.
Точність вимірів не гірше 1%
Працює з сигналів з мікропроцесором.
Зручність управління та обміну інформацією.

При проектуванні приладу через брак вільних портівмікроконтролера було вирішено використовувати АЦП з послідовнимінтерфейсом. Після детального розгляду наявних комплектуючих коловибору був звужений до двох виробів - мікросхемм AD7893 і AD 7896.
Остаточний вибір був зроблений на користь останньої, як більш доступною.

При виборі мікросхеми операційного підсилювача основним критерієм привиборі була лінійність всього вимірювального блоку. Проводилися випробуванняблоку з мікросхемами AD832, AD820, AD282. Кращий результат за лінійностівідповідає блоку на базі AD820. Відповідна вольт-кодовахарактеристика наведена у Додатку 8.

Вибір пристрою відображення інформації

Для відображення результатів вимірювань і службової інформації необхіднозастосування точково-матричного індикатора. В даний час існує 3основних сімейства пристроїв відображення інформації-вакуумно --люмінесцентні, світлодіодні і рідкокристалічні.

вакуумна-люмінесцентні прилади вимагають відносно високих (порядку
30-50 В) напруг живлення і додаткових ланцюгів змінного струмудля забезпечення прогріву катода. Застосування такого пристрою відображення вданому приладі істотно збільшило б його складність і габарити.

Матричні світлодіодні пристрої відображення виготовляються у виглядівідносно невеликих матриць (як правило 7х5 або 8х8 елементів). Одноготакого пристрою досить для відображення одного символу. Для роботиприладу необхідно одночасне відображення по, принаймні, 12-15символів. При збірці пристрою відображення, що задовольняє такимвимогам з вибільних елементів по 1 символу виникають певнітехнологічні труднощі, пов'язані з розміщенням великої кількостіелектричних ланцюгів на платі пристрою відображення інформації.

Рідкокристалічні пристрої відображення інформації позбавленінедоліків, притаманних двох перших типів пристроїв відображення. Через цеі завдяки малому енергоспоживання вони набули найбільш широкогопоширення в сучасній техніці.

Управління точково-матричним пристроєм відображення організований задопомоги вертикальних і горизонтальних електродів, на перетині якихрозташовані окремі елементи відображення інформації-точки. При подачінапруги на один з горизонтальний електродів (рядок зображення) навертикальних електродах повинні бути виставлені рівні напруги,відповідні активності елементів зображення в цьому рядку. Призняття напруги з рядка ці рівні мають бути зняті і знову виставленіпри активізації наступного рядка. Після того, як по черзі будутьактивовані всі рядки зображення цикл відображення повинен бути повторений.
При досить великій частоті активації рядків людське окосприймає зображення як нерухоме.

Для обслуговування пристрою відображення необхідні істотні витратиресурсів приладу, або виділення окремого блоку, призначеного дляуправління відображенням інформацією.

У приладі як пристрій відображення застосовується стандартний РКмодуль з вбудованими схемами управління LM44780. Завдяки зручностіінтерфейсу модуль вдалося включити безпосередньо в шину даних-адреси,що дозволило уникнути додаткового завантаження портів мікроконтролера.

Короткий опис та основні характеристики пристрою відображенняінформації наведені в додатку 9.

Опис приладу

Опис сенсора RS286-620

Сенсор RS 286-620 виробництва RS-Components являє собоютонкоплівковий напівпровідниковий датчик для визначення забрудненостіповітря. Датчик складається з нагрівача і тонкоплівкового чутливогоелементу. Частинки домішок, що містяться в навколишньому датчик повітрі,адсорбуються на поверхні чутливого елемента. Чуттєвийелемент, що складається з напівпровідника, при адсорбції на його поверхнідомішок набуває додаткові донорних або акцепторні рівні взабороненій зоні. При подачі напруги на нагрівач датчика температуранапівпровідника і кінетична енергія електронів у ньому зростає. Придосягненні температурою певного критичного значення часткаелектронів, здатних подолати заборонену зону між верхнім краємвалентної зони і енергетичним рівнем домішки-акцептора (або міждонорних рівнем домішки і нижнім краєм зони провідності) ставатидостатньою для забезпечення помітного струму через чутливий елемент.
При тривалому прогріві датчика молекули домішки випаровуються з поверхнічутливого елемента (відбувається самовідновлення датчика).

Фірмою-виробником пропонується визначати ступінь забрудненостіповітря, вимірюючи провідність датчика при постійному значенні температуричутливого елемента. Тоді може бути встановлено відповідність міжзабрудненням повітря і провідністю датчика.

Різні речовини-забруднювачі створюють домішкові рівні в на різномувидаленні від межі зони провідності. Для закидання електронів на цірівні необхідно по-різному нагріти напівпровідник. Крім того, кожнеречовина характеризується певною залежністю адсорбції від температуриповерхні.

Тому при фіксованій температурі датчика за величиною струму черезчутливий елемент, забруднений тим чи іншим речовиною, можна намагатисясудити про те, яка саме речовина адсорбовані на поверхні датчика.
Змінюючи температуру датчика в деякому інтервалі, можна спробувативизначити хімічний склад газової суміші, навколишнього датчик. При більшнизьких температурах провідність датчика буде обумовлена, в основному,домішками, з рівнями, розташованими ближче до межі забороненої зони. Ззростанням температури свій внесок у сумарну провідність домішок, рівніяких більш віддалені від межі зони провідності зростає.

У процесі роботи над приладом проводилося вивчення характеристикгазового сенсора RS 286-620. Датчик має наступні характеристики:

Максимальна напруга на нагрівачі 5 В

Максимальна напруга на сенсорі 5 В

Максимальна розсіює нагрівачем потужність
0,8 Вт

Максимальна температура нагрівача
300 оС

Опір нагрівача при Т = 20 оС

29,5 Ом

Опір нагрівача при Т = 300 оС

31, 0 Ом

Час прогріву датчика від Т = 20 о С до Т = 300 оС
60 сек

Детальні характеристики, схема датчика, і залежності характеристикнагрівача від температури наведено у Додатку 7.

Фізичні основи роботи приладу.

У ізольованому атомі енергетичний спектр електронів дискретний.
Заповнення енергетичних рівнів здійснюється за певними правилами.
При цьому в s-стані може знаходитися 2 електрона в p-6, в d-10, f-14 і g-
18 електронів. При утворенні кристала в результаті хімічноговзаємодії валентні електрони сусідніх атомів усуспільнюється, ідискретні рівні розщеплюються в енергетичні зони, які можуть бутизаповненими або вільними, у залежності від заповнення відповіднихатомних рівнів.

У кристалах напівпровідників можна виділити 3 енергетичних зони:
Валентну зону, повністю заповнену електронами. Заборонену зону - зону,в якій немає енергетичних рівнів (у чистому напівпровіднику). Електронизнаходитися в цій зоні не можуть. Зону провідності, вільну від носіївзаряду.

Якщо електрон з валентної зони збуджується в зону провідності, то ввалентної зоні залишається його вакансія (дірка), при переміщенні якої покристалу переноситься позитивний заряд. Таким чином заряд у кристаліможе переноситися електронами, що знаходяться в зоні провідності і дірками,що знаходяться в валентної зоні. В ідеальному кристалі, у якому відсутнідефекти і сторонні домішки (такий напівпровідник називається власним),кількість вільних електронів, електронів в зоні провідності, (n) дорівнюєкількості дірок (p), так само деякої характеристичної величиною, яканазивається власною концентрацією (ni): n = p = ni.

Чим вужче заборонена зона, тим більше в напівпровіднику термічнозбуджених вільних носіїв заряду. Концентрації вільних електроніві дірок у власному напівпровіднику залежать від температури поекспоненціальним законом. n = Nc exp (- (Ec-F)/kT) p = Nv exp (- (F-Ev)/kT) np = Nv Nc exp (- (Ec-F)/kT) exp (- (F-Ev )/kT) = Nv Nc exp (- (Eg)/kT) = ni2

Nc = 2 (2? mn kT/h2) 3/2 Ефективна густина станів у зоніпровідності.

Nv = 2 (2? mp kT/h2) 3/2 Ефективна густина станів увалентної зоні.

Де F-енергія рівня Фермі, mn mp ефективні маси електрона і діркивідповідно.

Положення рівня Ферми знаходять з умови електронейтральності длявласного напівпровідника тобто: n = p. Звідки: F = 1/2 (Ec + Ev) + kT/2ln (mp/mn),тобто при низьких температурах рівень Ферми лежить біля середини забороненоїзони і з підвищенням температури поступово зміщується до зони провідності.

Наявність в кристалі домішок і дефектів призводить до появи взабороненій зоні енергетичних рівнів, положення яких залежить від типудомішки або дефекту. Так, наприклад, домішкові атоми B (3 групаперіодичної таблиці елементів) в кристалі Si приймають електрони звалентної зони, що веде до утворення дірок і виникнення доречнийпровідності (легований акцепторній домішкою матеріал набуваєпровідність "Р" типу). Атоми P (5 група) у кристалі Si віддають електронив зону провідності, що призводить до виникнення електронної провідності
(легований донорно домішкою матеріал набуває провідність "N"типу).

При іонізації акцепторній атома, він захоплює електрон і заряджаєтьсянегативно, при цьому в валентної зоні кристала з'являється вільнадірка. При низьких температурах більша частина акцепторній домішки неионизованного і рівень Фермі розташований між стелею валентної зони іакцепторні рівнем. При підвищенні температури число електронів,перехідних з валентної зони на акцепторні рівень зростає,відповідно зростає і концентрація дірок (1 область на правій верхнійдіаграмі). При цьому рівень Фермі наближається до акцепторній рівнем
(ліва діаграма). При деякій температурі вся домішка виявляєтьсяионизованного і концентрація дірок (що виникли за рахунок акцепторів), перестаєзмінюватися (область 2 на діаграмі). Це область виснаження акцепторнійдомішки (рівень Фермі в цій області вище акцепторній рівня). Приподальшому збільшенні температури, настає момент, коли концентраціяносіїв заряду, виникають при порушенні електронів з валентної зонив зону провідності стає більше концентрації акцепторній домішки ізалежність концентрації дірок від температури приймає такий же вигляд, що іу власному напівпровіднику (ділянка 3), при цьому рівень Фермі знаходитьсяпоблизу середини забороненої зони.

При іонізації донорного атома, він віддає електрон в зону провідності ізаряджається позитивно. При низьких температурах більша частина донорнодомішки не ионизованного і рівень Фермі розташований між дном зонипровідності і донорних рівнем. При підвищенні температури числоелектронів, які переходять з донорного рівня в зону провідності зростає,відповідно зростає і концентрація вільних електронів (область 1 направій верхній діаграмі). При цьому рівень Фермі наближається до донорнорівнем (ліва діаграма). При деякій температурі вся домішка виявляєтьсяионизованного і концентрація електронів (що виникли за рахунок іонізаціїдонорів), перестає змінюватися (область 2 на діаграмі). Це областьвиснаження донорно домішки (рівень Фермі в цій області нижче донорногорівня). При подальшому збільшенні температури, настає момент, коликонцентрація електронів, що виникають при їх порушення з валентної зони взону провідності стає більше концентрації донорно домішки ізалежність концентрації електронів від температури приймає такий же вигляд,що і у власному напівпровіднику (ділянка 3), при цьому рівень Фермізнаходиться поблизу середини забороненої зони.

Газові датчики являють собою тонку (близько 80-100 мікрон)напівпровідникову плівку, розміщену на поверхні нагрівальногоелементу. У відсутності зовнішнього забруднювача провідність сенсора мала іобумовлена рухом тільки електронів, перекинутих з валентної зони взону провідності (власна провідність кристала). При адсорбції наповерхні плівки молекул домішки в забороненій зоні напівпровідникаутворюються додаткові домішкові рівні. Очевидно, що щільністьстанів на такому рівні буде прямо пропорційна кількості домішки,що осів на поверхні напівпровідникової плівки. Домішкових провідністьнапівпровідника пропорційна кількості носіїв заряду, що звільнилисяпри іонізації домішки. Тому домішкових провідність напівпровідникапропорційна кількості осіли на його поверхні атомів домішки.
Принцип дії вимірювачів забрудненості повітря на напівпровідниковихдетекторах заснований на вимірюванні домішковий провідності датчика.

Кількість електронів, викинутих в зону провідності з рівнядонорно домішки описується співвідношенням

nd = Nd * (1 + exp (- (Ed-F)/kT)) -1 (1)

Кількість електронів, захоплених акцепторній домішкою з валентноїзони описується співвідношенням

na = Na * (1 + exp (- (F-Ea)/kT)) -1 (2)

У цих формулах Na та Nd Ефективні щільності станів атомів донорноі акцепторній домішок, а Ed і Ed їх енергетичні рівні.

З формул (1) і (2) видно, що частка іонізованих атомів домішкизалежить не тільки від температури, але і від положення енергетичного рівнядомішки в забороненій зоні. При фіксованій температурі іонізація домішкибуде тим менше, чим ближче її енергетичний рівень до центру заперщеннойзони.

Далі розглядається задача з малими концентраціями домішок. Уяк умову малості концентрації висувається умова, що ефективніщільності станів кожної з домішок значно менше ефективних щільностейстанів у валентної зони і зони провідності. Далі розглядаємо завданняз малими концентраціями домішок. Кількість носіїв заряду в зоніпровідності напівпровідника визначається як сума носіїв заряду,іонізованих з кожного з донорних рівнів окремо. Таким чином

nd =? Ndi * (1 + exp (- (Edi-F)/kT)) -1

(3)

Далі концентрації «дірок» у валентної зоні. Можна записатианалогічне співвідношення.

na =? Nai * (1 + exp (- (F-Eai)/kT)) -1

(4)

При запису виразів (3) та (4) не враховано вплив перекидання носіївзаряду з валентної зони в зону провідності. Однак можна показати, щоцей внесок значно менше внеску від домішок.

Використовуючи визначення провідності речовини j =?? , Матимемовираз, що зв'язує провідність напівпровідника з концентраціяминосіїв заряду в ньому.

? 'e nd? d + e na? a

(5)

Підставляючи в (5) вирази для nd і na отримуємо вираз для?

? 'e (? d? Ndi * (1 + exp (- (Edi-F)/kT)) -1 +? a? Nai * (1 + exp (- ( F-
Eai)/kT)) -1)

? '(? E? D Ndi * (1 + exp (- (Edi-F)/kT)) -1 +? E? A Nai * ( 1 + exp (- (F-
Eai)/kT)) -1)

Позначаючи

? Di 'e? D Ndi * (1 + exp (- (Edi-F)/kT)) -1

? ai 'e? a Nai * (1 + exp (- (F-Eai)/kT)) -1

Перетворимо вираз для? до виду

? '?? di +?? ai (

6)

В останньому виразі величини? di і? ai є провідності,зумовленими іонізацією i-ої донорно або акцепторній домішки (далі цівеличини називаються парціальними провідності). Таким чином сумарнапровідність напівпровідника розраховується як сума парціальнихпровідностей від кожної з домішок.

Залежність кількості адсорбованих молекул від температури.

Ударяючись об поверхню твердого тіла молекули газу адсорбуються. Часадсорбції або перебування молекул в адсорбованому стані залежить відтеплоти адсорбції і описується рівнянням Френкеля

? a '? 0 exp (Qa/RT) (7)

Де? 0-мінімальний час перебування молекули в адсорбованомустані. По порядку величини? 0 відповідає значенню 10-13 с. Qa
-Теплота адсорбції, розрахована на моль газу.

Основні складові повітря мають теплоти адсорбції на різнихповерхнях у межах від 10 до 20 кДж/кмоль. Час їх адсорбції прикімнатній температурі становить порядку 10-10 с

Для знаходження залежності кількості адсорбованих молекул відтемператури скористаємося умовою сталості ступеня покриття (відносиниплощі адсорбованих молекул до площі поверхні адсорбуючою тіла).

(8)

Умова адсорбційного рівноваги на поверхні полягає в рівностішвидкостей випаровування і конденсації молекул. Величина AМ кількість молекул,необхідне для утворення монослоя на поверхні твердого тіла.

(9)

Де? ступінь покриття поверхні. З останнього рівняння випливає.

?'?/? (10)

Величина? визначається як швидкість випаровування газу з поверхні,покритої мономолекулярного шаром.

? 'a?? /? a

(11)

Значення? визначається як кількість ударів об поверхнюмолекул, помножена на ймовірність поглинання молекули газу на поверхні

(12)

Підставляючи (12) та (11) в (10) та враховуючи вираз для? a маємо

(13)

Підставляючи в (13) вираз для n = P/(kT) отримуємо остаточневираз

(14)

Для визначення кількості домішкових носіїв заряду внапівпровідникової плівці, адсорбованих домішка необхідно підставити в
(3) і (4) вирази для кількості атомів домішок, отримані з (14)

Припускаючи незалежність f від температури отримуємо.

Nd =? S0

(15)

В останньому виразі A (P, S0) незалежних від температури і властивостейнапівпровідника константа. Na-постійна Авогадро. З останнього виразувидно, що на кількість електронів в зоні провідності впливаютьдва конкуруючих процесу - викид електронів в зону провідності,збільшується із зростанням температури, і зменшення кількості домішковихрівнів зі зростанням температури. У додатку наведені графіки залежності
(15) як функції температури для різних значень параметра (Ed-F).

Принципи обробки сигналів сенсора

Гіпотеза лінійної аддитивності сигналів.

Очевидно, що чим більше концентрація молекул в навколишньому газі, тимбільше число молекул, абсорбованих на поверхні тонкоплівковогочутливого елементу сенсора, і тим більше зміна йогоелектропровідності. Ясно також, що при представляють інтересконцентраціях домішок, ступінь покриття поверхні сенсора багато меншеодиниці. У цих припущеннях зміна? електропровідності
(чутливого елементу сенсора з появою в навколишньому сенсор газідомішок з концентрацією C) можна вважати пов'язаними лінійно і адитивно,тобто вважати, що

? Ci? I =?

(16)де підсумовування йде за видами домішок,? i - відповідні коефіцієнтипропорційності. Коефіцієнти? I залежать від температури, цезумовлює сумарну залежність від температури електропровідностічутливого елементу сенсора.

Співвідношення (16) висловлює зміст гіпотези лінійної аддитивностірезультуючої термограмми: передбачається, що спостерігається залежність
? (Т) є сума "парціальних" провідностей, кожна з яких відображаєвнесок окремої домішки в навколишньому газі в сумарну електропровідністьчутливого елементу сенсора.

В рамках цієї гіпотези завдання визначення "парціальний концентрації"домішок зводиться до вирішення зворотної задачі - підбору таких значень Ci,які за певних температурних залежностях коефіцієнтів? i (Т)найкращим чином описують що спостерігається термограмму? (Т).

Найбільш простий шлях вирішення цього завдання - розглядати співвідношення
(16) при декількох температурах як систему лінійних рівнянь дляневідомих Ci, якщо кількість точок по температурі вибрати дорівнює кількостіневідомих концентрацій, то система легко вирішується. Недолік цьогометоду очевидна - результат буде залежати від довільного виборутемпературних точок і, в цьому сенсі, буде також пр