Л Монастирський, Р Яремик, І Оленич - Багатоелементні сенсорні системи на основі поруватого кремнію - страница 1

Страницы:
1 

ISSN 1024-588X. Вісник Львівського ун-ту. Серія фізична. 2011. Випуск 46. С. 189-195 Visnyk of the Lviv University. Series Physics. 2011. Issue 46. P. 189-195

УДК 537.312

PACS 73.20.Dx, 85.42.+Ш

БАГАТОЕЛЕМЕНТНІ СЕНСОРНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ПОРУВАТОГО КРЕМНІЮ

Л. Монастирський, Р. Яремик, І. Оленич, П. Парандій

Львівський національний університет імені Івана Франка вул. Драгоманова, 50, 79005 Львів, Україна e-mail: monastyr@electronics.wups.lviv.ua

Вивчено вплив адсорбції водневовмісних газів на електричну провідність і високочастотну ємність сенсорних структур на основі поруватого кремнію. Для оцінки сенсорних властивостей розраховано адсорбційну чутливість резистивних і ємнісних сенсорів. Створено систему електронного підсилен­ня сигналу та визначення індивідуальних імпедансних параметрів матриці сенсорів на основі поруватого кремнію. Для ідентифікації газу використа­но перехресні залежності характеристик сенсорів, які виявляють найвищу чутливість до цього газу.

Ключові слова: поруватий кремній, адсорбція, адсорбційна чутливість, матричні сенсори,імпеданс.

Інтелектуальні сенсорні системи мають перспективу застосування у всіх га­лузях людської діяльності і здатні фундаментально змінити як характер різних видів виробництва, так і систему контролю в галузі охорони здоров'я та моні­торингу довкілля. Ефективна робота інтелектуальних систем можлива лише за умови подачі високоякісної первинної інформації. Це потребує створення суча­сних датчиків на основі застосування нових фізико-хімічних ефектів та широ­кого використання інформаційних технологій. Водночас, власне нові мікро- та наноелектронні розробки і сучасні можливості інформаційних систем зможуть забезпечити вищеозначені вимоги.

У сучасній мікро- і наноелектроніці значну увагу приділено розробці систем безперервного контролю хімічного складу оточуючого середовища протягом три­валого часу та контролю появи непередбачуваного забруднення. Такі системи охоплюють напівпровідникові датчики та пристрій обробки сигналу. Матеріали з розвиненою поверхнею, такі як поруватий кремній (ПК), є надзвичайно перспе­ктивними саме в галузі сенсорної електроніки [13]. Вивчення впливу адсорбції молекул газового середовища на властивості низькорозмірного матеріалу дозво­лить розширити межі застосування ПК як елементів матриці для газових сенсо­рів з селективністю до визначених газів. Формування експериментальних зразків

© Монастирський Л., Яремик P., Оленич Т., Парандій П., 2011

ПК відбувалось методом анодизації кремнію в електроліті на основі плавикової кислоти в режимі стабілізації струму [4], густина якого становила від ЗО мА/см2. Тривалість процесу анодизації становила 20 хв. Після електрохімічної обробки робочу поверхню ПК промивали дистильованою водою.

Дослідження адсорбційних процесів у структурах ПК проводилось у ваку­умному кріостаті, газове середовище якого можна було змінювати за допомогою приладу п'єзострикційного натікання газів СНА-2, що забезпечував контрольова­ний напуск в діапазоні тисків 2 • 10~8-1 • 10_1 атм. з точністю 15 %. Концентрація водяної пари в повітрі визначалась датчиком вологості ШН-4000-004 виробництва "Honeywell". Вимірювання електронних параметрів досліджуваних структур здій­снювалось цифровим L, C, R вимірювачем Е7-12 на частоті 1 МГц. Схему уста­новки для дослідження високочастотної ємності і провідності сенсорних структур ПК зображено на рис. 1.

1 2

10

Рис. 1. Схема експериментальної установки для дослідження сенсорних структур на основі ПК: 1 — вакуумний кріостат; 2 — система контролю температури; 3 — система напуску газів СНА-2; 4 — система контролю відносної вологості; 5 — датчик вологості ШН-4000-004 "Honeywell"; 6 — вакуумні клапани; 7 — форвакуумний насос; 8 — нагрів­ник сенсора; 9 — сенсор на основі ПК; 10 — вимірювач L, C, R цифровий Е 7-12

Дослідження високочастотної (1 МГц) провідності та ємності ПК виявили значну залежність останніх від умов оточуючої атмосфери. У випадку збільше­ння парціального тиску газів спостерігалося монотонне зростання електричної провідності та ємності зразків. Для оцінки сенсорних властивостей структур ПК було розраховано адсорбційну чутливість за співвідношенням [5]:

= 1 АС

де АС/С — відносна зміна провідності або ємності структури; Ар — зміна пар­ціального тиску газів.

Типові графіки залежностей електричної провідності та ємності від парці­ального тиску водню, метану та повітря за відносної вологості 60 % і розраховані залежності чутливості резистивних і ємнісних сенсорів зображені на рис. 2. Екс­периментальні дослідження виявили, що резистивні сенсори, які базуються на зміні провідності, володіють більшою на порядок адсорбційною чутливістю, ніж ємнісні. Однак, селективність ємнісних сенсорів для незначних концентрацій во­дню та метану більша. На практиці важко виготовити сенсор, який реагував би саме на один із аналізованих газів у суміші. Задача ідентифікації типу газу одним сенсором характеризується неоднозначними розв'язками. У разі використання матричних сенсорів на основі ПК вибір конкретного сенсора може здійснювати­ся реагуванням відповідного сенсора на аналізований газ.

- повітря        ^      2     3 —

- метан і      ,     і ^»-> -водень        \     \ ^2-

0      125     250     375     500     625 750

р, мм рт СТ

-G,

мкСм Ус

-70

0,0030-

-68 -66

0,0025-

-64

0,0020-

-62 -60

0,0015-

-58

0,0010-

-56 -54

0,0005-

-52

0,0000 -

- метан

- водень 1 2

X

0      125     250    375    500    625 750 р, MM рт СТ

Рис. 2. Залежність високочастотної ємності (1, 2, 3) і провідності (1', 2', 3') структури ПК/p-Si (а) та адсорбційної чутливості ємнісних (1, 2) і резистивних (1', 2') сенсорів (б) від парціального тиску газів

Сенсорні елементи на основі ПК характеризуються низкою специфічних рис, які ускладнюють проектування аналізаторів газу з даним типом датчиків. Най­головніші з них, це схильність до дрейфу базової лінії, а також до незворотного інгібітування за рахунок летких з'єднань деяких органічних речовин у складі багатокомпонентних сумішей газів. Головною ж проблемою є отримання надій­них критеріїв для визначення індивідуальної селективної чутливості сенсора до окремих компонент газу. До методів аналізу газових сумішей належить обробка результатів, які надходять одразу від двох або більше сенсорів, так званих матри­чних сенсорів. Такі сенсори мають інтегральне виконання, об'єднуючись із логі­чними схемами обробки даних. Тобто, використовування непрямих методів ви­мірювання із застосуванням декількох сенсорних перетворювачів дає можливим контроль інформації як про склад, так і про концентрацію окремих компонент в багатокомпонентних сумішах, наявності тих чи інших речовин у навколишньому середовищі [6].

Вимоги, що висуваються до приладу: універсальність (можливість визна­чати концентрації різних хімічних речовин без заміни чутливих елементів і на­лаштування приладу на ці речовини); необхідність обробки результатів вимірю­вання на місці; можливість роботи автономно; малі габарити; низьке енергоспо­живання.

Найоптимальнішим вирішенням цієї проблеми є застосування мультисенсор-ної матриці на основі ПК, яка складається з первинних приймачів, кожен з яких в силу відмінних технологічних процесів виготовлення характеризується індивіду­альним профілем характеристики перетворення. Селективність окремих сенсорів до вимірюваних компонент газу не має визначального значення, важливо, щоб сенсори характеризувались суттєвою перехресною чутливістю. Аналіз багатови­мірних даних лінійки паралельно працюючих сенсорів дозволяє ідентифікувати окремо взятий газ на основі вимірювання сукупного відклику сенсорної матриці. Результуюча картина відгуків всіх сенсорів є досить складною, і може бути ви­користана для ідентифікації тільки з використанням сучасних обчислювальних та інформаційних технологій.

Для отримання інформаційних сигналів використовується метод вимірюва­ння повного комплексного опору Z* = Z' + iZ'' (імпедансу) кожного елемента матриці. Тут Z Z'' — активна (дійсна) та реактивна (уявна) складові вектора імпедансу, які дозволяють визначати і аналізувати як діелектричні, так і еле­ктропровідні параметри. Метод забезпечує високу чутливість і враховує кінетику електрохімічних процесів, властивості поверхні та об'єму сенсора. У ході дослі­джень визначено, що найбільш інформативними параметрами сенсора є значення кута зсуву фази ф між струмом і напругою, а також годограф імпедансу, побу­дований в координатах ZZ'' . Крім того, модуль імпедансу \Z\ характеризується значною залежністю від частоти на якій виконувались вимірювання. Перехід від одночастотних імпедансних вимірів до реєстрації імпедансного спектру сигналу відклику сенсора, дав змогу встановити функціональні залежності імпедансно­го спектра та індивідуальної парціальної чутливості даного сенсора до окремих компонент газу. Ці залежності, по суті, є аналогами перетворювальних характе­ристик сенсора газу. Використовуючи кілька первинних датчиків, які характе­ризуються найбільшою перехресною чутливістю до заданого типу газу, можна визначати концентрацію газу в повітрі чи у багатокомпонентних сумішах.

Функціональна схема вимірювально-обчислювальної системи аналізатора кон­центрації газу зображена на рис. 3.

Генератор AD9833 методом прямого цифрового синтезу формує послідовності сигналів збудження, які подаються на один із сенсорів матриці. Сигнал відкли­ку, який знімається з даного сенсора, кодується аналого-цифровим перетворюва­чем AD7266 і опрацьовується процесором PIC18F2620 по алгоритму дискретно­го перетворення Фур'є. Унаслідок опрацювання виділяється справжня і уявна складові імпедансу сенсора на різних частотах сигналу збудження. Результати вимірювання за комунікаційним каналом МАХ232А передаються у персональ­ний комп'ютер для подальшого опрацювання і графічної візуалізації. Замість персонального комп'ютера можуть бути підключені інші пристрої відображен­ня даних (рідкокристалічні дисплеї, звукові індикатори тощо). Використовуючи

DDS-синтезатор

-^ОР162 ОП2>—

Цифровий потенціометр

AD72EE

Швидкоді нічий аналого-цифровий перетворювач

MCP4101D

Цифровий потенціометр

ОПЗ

Інтерфейснин адаптер

До персонального комп'ютера

Еквівалентна схема сенсорних елементів матриці

І__

__І

Мультиплексор

дешифратор МАХ4530

Рис. 3. Функціональна схема автоматизованої системи дослідження імпедансних пара­метрів сенсорних елементів на основі ПК

розроблену електронну систему та матрицю з п'яти первинних сенсорних еле­ментів були проведені експерименти з дослідження індивідуальних імпедансних параметрів кожного сенсора: зміни модуля комплексного електричного імпедансу від частоти, вплив на імпедансні характеристики сенсорів різних концентрацій газу пропану та диму. На рис. 4 показано залежності відклику двох сенсорів на дію пропану і диму.

Для збільшення чутливості і достовірності чисельними методами обчислено різницю модулів імпедансу кожного сенсора і результат представлено по осі орди­нат. Результуючий сигнал отриманий від двох сенсорів, може використовуватись як ідентифікуюча ознака в задачі аналізу типу газу та його концентрації.

У процесі досліджень виявлено, що сенсорні елементи отримані в техноло­гічних процесах з керованими параметрами, характеризуються суттєвим роз­кидом перетворювальних характеристик в системі координат "повний імпеданс-частота". Крім того, при дії на матрицю різними концентраціями заданих газових сумішей, спостерігається кореляційна залежність індивідуального імпедансного спектру сенсора з концентрацією даного типу газу. Для ідентифікації типу газу можуть бути використані перехресні залежності характеристик тих сенсорів, які проявляють найбільшу чутливість.

Отже, на основі вимірювання імпедансних параметрів структур ПК та ви­користання інформаційних технологій запропоновано інтелектуальну сенсорну систему ідентифікації та визначення концентрації газу в суміші.

Рис. 4. Графічні залежності різниці модулів імпедансу двох сенсорів ПК/p-Si від ча­стоти при дії на них пропану (а) та диму (б)

1. Rittersma Z. М. A monitoring instrument with capacitive porous silicon humi­dity sensors / Z. M. Rittersma // Smart Mater. Struct. - 2000. - Vol. 9. -P. 351-356.

2. Baratto C. Multiparametric Porous Silicon Sensors / C. Baratto, G. Faglia, G. Sberveglieri et al. // Sensors. - 2002. - Vol. 2. - P. 121-126.

3. Горбанюк Т. І. Адсорбція воднемістких молекул в багатошарових структурах з плівками пористого кремнію та паладію / Т. І. Горбанюк, А. А. Євтух,

B. Г. Литовченко та ін. // Фізика і хімія твердого тіла. - 2006. - Т. 7, № 1. -

C. 60-66.

4. Monastyrskii L. S. Composition and properties of thin films on porous silicon surface / L. S. Monastyrskii, Т. I. Lesiv, I. B. Olenych // Thin Solid Films. -1999. - Vol. 343-344. - P. 335-337.

5. Вашпанов Ю. А. Адсорбционная чувствительность полупроводников / Ю. А. Вашпанов, В. А. Смынтына. - Одесса : Астропринт, 2005. - 216 с.

6. Шмырева А. Н. Фотоэлектрические свойства нанопористого кремния и опто-электронные сенсоры на его основе / А. Н. Шмырева, Н. Н. Мельниченко // Электроника и связь. Тематический выпуск "Электроника и нанотехноло-гии". - 2010. - № 1(54). - С. 17-24.

MULTIELEMENT SENSORY SYSTEMS BASED ON POROUS SILICON

L. Monastyrskii, R. Yaremyk, I. Oleoych, P. Pa rand і і

Ivan Franko National University of Lviv Dragomanov str., 50, 79005 Lviv, Ukraine e-mail: monastyr@electronics.wups.lviv.ua

We study the influence of adsorption of hydrogen-containing gases on the electrical conductivity and high-frequency capacitance of sensor structures based on porous silicon. For estimation of sensor properties of the structures, the adsorption sensitivity of resistor-based and capacitance sensors is calculated. A system is elaborated aimed at electronic signal amplification and identification of individual impedance parameters of the matrix sensors based on the porous silicon. In order to identify a gas, we use cross-dependences of the sensor characteristics, which reveal the highest sensitivity to the given gas.

Key words: porous silicon, adsorption, adsorption sensitivity, matrix sensor, impedance.

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

Л. Монастырский, Р. Яремык, И. Оленич, П. Парандий

Львовский национальный университет имени Ивана Франко ул. Драгоманова, 50, 79005 Львов, Украина e-mail: monastyr@electronics.wups.lviv.ua

Изучено влияние адсорбции водородосодержащих газов на электрическую проводимость и высокочастотную емкость сенсорных структур на основе пористого кремния. Для оценки сенсорных свойств рассчитана адсорбци­онная чувствительность резистивных и емкостных сенсоров. Создана си­стема электронного усиления сигнала и определения индивидуальных им-педансных параметров матрицы сенсоров на основе пористого кремния. Для идентификации газа использованы перекрестные зависимости хара­ктеристик сенсоров, которые проявляют наивысшую чувствительность к данному газу.

Ключевые слова: пористый кремний, адсорбция, адсорбционная чувст­вительность, матричные сенсоры, импеданс.

Статтю отримано: 30.03.2011 Прийнято до друку: 14.07.2011

Страницы:
1 


Похожие статьи

Л Монастирський, Р Яремик, І Оленич - Багатоелементні сенсорні системи на основі поруватого кремнію