Методы измерения выходных сигналов емкостных МДП-сенсоров
Введение
Современные задачи обеспечения безопасности жизнедеятельности решаются широким спектром технических средств, в том числе газоаналитическими приборами с чувствительными элементами ‑ сенсорами, принцип действия которых основан на различных физико-химических эффектах [1]. Тем не менее, актуальная сегодня в различных областях научного знания инженерно-техническая задача по детектированию малых концентраций газов остается нетривиальной. Для подключения сенсора к регистрирующей аппаратуре необходима встроенная или внешняя электронная схема, формирующая выходной сигнал в формате, требуемом системой приема и обработки данных. Подобное согласующее устройство называют интерфейсной электронной схемой (или просто интерфейсом), задачами которой также являются сглаживание шумов, усиление и фильтрация выходного сигнала. В статье анализируются методы измерения выходных сигналов емкостных газовых датчиков на основе МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник).
Постановка задачи
МДП-структуры типа Pd-SiO2-Si или Pd-Ta2O5-SiO2-Si являются основой разрабатываемых и изучаемых нами газовых датчиков. Зависимость емкости МДП-структуры от приложенного напряжения (вольт-фарадная характеристика) является одним из основных инструментов исследования параметров МДП-структур [2].
Принцип газочувствительности МДП-сенсоров заключается в том, что молекулы газов после адсорбции на поверхности затвора диффундируют через поры Pd-пленки к границе раздела металл-диэлектрик, где захватываются и удерживаются центрами захвата. Электрический дипольный момент молекул газа при этом ориентируется таким образом, что образуется зарядовый слой, электрическое поле которого, проникая через диэлектрик, изменяет распределение свободных носителей тока в полупроводнике и приводит к сдвигу вольт-фарадной характеристики (ВФХ) [3]. При этом полезным сигналом сенсора является как непосредственно величина сдвига ВФХ, так и соответствующее ей изменение емкости МДП-сенсора ΔС.
Принцип регистрации выходного сигнала МДП-сенсоров проиллюстрирован на рис. 1. Точку на ВФХ при фиксированном напряжении смещения Uсм, которой соответствует емкость Сраб., назовем рабочей точкой. На рис. 1 представлены три варианта выбора рабочей точки с соответствующими им значениями Сраб. и Uсм. Как видно, в случае реакции на концентрацию, например, водорода, при одном и том же сдвиге ВФХ будут регистрироваться различные значения отклика ΔС в зависимости от выбора рабочей точки.
Рис. 1. ВФХ МДП-сенсора. Пунктирной линией показан сдвиг ВФХ под действием концентрации водорода. ΔС1, ΔС2, ΔС3 – изменения емкости МДП-сенсора под действием концентрации водорода, соответствующие трем вариантам выбора Uсм (рабочей точки).
Наиболее распространенными методами измерения емкости являются метод делителя, мостовой метод и импульсный метод определения емкости по переходной характеристике [4].Характерные принципиальные измерительные схемы, основанные на анализируемых в данной статье методах, приведены на рис. 2.
а)
б)
в)
Рис. 2. Принципиальные схемы измерения емкости МДП-сенсоров: а) метод делителя (МД), б) мостовой метод (ММ), в) импульсный метод «заряд-разряд» (ИМ). Обозначения: А – амплитуда измерительного сигнала, Ср – разделительный конденсатор, Uсм – напряжение смещение рабочей точки, С0 – опорный конденсатор NP0, Смдп – измеряемая емкость МДП-сенсора.
В основе измерений по данным методам лежит воздействие на измеряемую емкость высокочастотного переменного измерительного сигнала малой амплитуды А и регистрация модуляций амплитуды, закономерно связанных с изменением параметров исследуемого конденсатора. Для случая МДП-сенсоров в дополнение к измерительному сигналу на затвор МДП-структуры подается фиксированное постоянное напряжение смещения Uсм. Формирование измерительного сигнала для схем по МД и ММ осуществляется генератором с мостом Вина, для ИМ – микросхемой PCap01 [5].
На прецизионном цифровом измерителе RCL Актаком АММ-3068 с частотой измерительного сигнала F = 20 кГц и амплитудой A = 100 мВ были проведены исследования рабочих характеристик сенсоров методом ВФХ. Тестирование проводилось на сенсоре со структурой Pd-SiO2-Si при температурах Тмдп = 30 °С, 100 °С и 140 °С. В режимах с Тмдп, равными 100 °С и 140 °С, подавалась концентрация 5 ppm водорода и измерялся сдвиг ВФХ относительно условий чистого воздуха (рис. 3, а). Для определения оптимального положения рабочей точки можно рассчитать зависимость ΔС(Uсм) по данным ВФХ до и после сдвига. Результаты расчета показаны на рис. 3, б.
а) б)
Рис. 3. Результаты исследований сенсора с МДП-структурой Pd-SiO2-Si на прецизионном цифровом RCL-метре Актаком АММ-3068 (F = 20 кГц, A = 100 мВ):
а) ВФХ при различных рабочих температурах сенсора в атмосфере чистого воздуха и со сдвигом влево под действием концентрации водорода 5 ppm; б) изменение емкости сенсора ∆С при сдвиге ВФХ под действием 5 ppm водорода в воздухе.
Рабочая температура Тмдп устанавливается в зависимости от практической задачи и составляет, как правило, 100 °С (более чувствительный режим) или 140 °С (режим с лучшим быстродействием). Как видно из рис. 3, б, при Тмдп = 100 °С максимум отклика сенсора ΔС достигается при Uсм = -600 мВ. Однако в процессе эксплуатации сенсора важна не только максимальная чувствительность, но и ее стабильность при возможных дрейфовых сдвигах ВФХ, поэтому рабочую точку в данном случае для обоих режимов лучше выбрать при Uсм = 0 мВ. При таком смещении величина сдвига ВФХ под действием 5 ppm водорода при Тмдп = 100 °С составила ∆U = -80 мВ (∆С = 125 пФ), при Тмдп = 140 °С ∆U = -65 мВ (∆С = 80 пФ).
Величина и максимальное значение сдвига ВФХ ∆Umax под действием газа ‑ физический параметр, связанный с природой границы металл-диэлектрик и определяющийся числом активных центров, доступных для захвата молекул (атомов) газа на границе раздела. По данным [6], ∆Umax = 750...1000 мВ и соответствует 130 ppm водорода при 100 °C. Для МДП-сенсоров со структурой Pd-Ta2O5-SiO2-Si нами экспериментально было зарегистрировано ∆Umax ≈ 500 мВ при концентрации водорода 2 % об. д., при этом 80 % сдвига ВФХ приходилось на концентрации до 500 ppm.
Таким образом, имеем задачу разработать и протестировать электронные схемы на базе описанных выше методов измерения емкости в диапазоне значений 300…2500 пФ.
Экспериментальные результаты
Испытания электронных плат, построенных на трех различных методах измерения емкости, проводились с использованием одного и того же МДП-сенсора со структурой Pd-SiO2-Si и Тмдп = 100 °С. Данные о настройках и характеристиках плат приведены в таблице 1.
Таблица 1
Настройки и характеристики исследуемых электронных плат
Параметры сравнения |
Метод измерения емкости |
||
ИМ |
ММ |
МД |
|
F, кГц |
8 |
18 |
20 |
А, мВ |
1500 |
200 |
1000 |
шумы платы СШУМ0*, ± пФ |
0,05 |
0,13 |
0,1 |
шумы платы с сенсором СШУМ, ± пФ |
0,15 |
0,26 |
0,2 |
диапазон измерения, пФ (±δ, %) |
С0 ± 50 (±1) 400…1200 (±5) 300…5000 (±11) |
С0 ± 65 (±1) |
500…2000 (±1) 300…5000 (±30) |
* Определены с использованием керамических конденсаторов NP0.
Точность выставления и поддержания на всех платах Uсм не хуже ± 0,1 мВ, Тмдп – не хуже ± 0,1 °С. Время выхода сенсора на рабочий режим не более 6 минут.
Перед испытаниями с МДП-сенсором была проверена точность измерения емкости электронными платами с использованием стабильных по температуре керамических конденсаторовNP0 (±30 ppm/°C), емкость которых контролировалась мультиметром АММ-1130 (±1 %). Результаты приведены на рис. 4.
Рис. 4. Проверка точности измерения емкости электронными платами.
Диапазон измерения емкости при использовании схемы ММ по сравнению с ИМ и МД, как видно из табл. 1, сильно ограничен и привязан к значению опорной емкости С0 (рис. 2, б). Поэтому в нашем случае емкость МДП-сенсора (без изменения коэффициентов усиления) можно измерять с высокой точностью, но в узком диапазоне значений ΔС = 130 пФ, что сильно ограничивает возможности применения ММ. Стоит заметить (см. рис. 4), что погрешности плат ИМ и МД также зависят от диапазона измеряемых значений. Так, наибольшей точности измерений для платы МД удается добиться при калибровке рабочих значений емкости в диапазоне не более 1500 пФ, при выходе из которого погрешность растет: 8 % на каждые 1000 пФ.
Вольт-фарадные характеристики контрольного МДП-сенсора, измеренные на электронных платах, приведены на рис. 5, а.
а) б)
Рис. 5. Анализ выходных сигналов МДП-сенсора на платах с различными методами измерения емкости: а) ВФХ, жирным отмечен участок ВФХ, соответствующий сдвигу под действием 5 ppm водорода; б) динамические характеристики отклика на 5 ppm водорода.
За счет отличий в параметрах измерительного сигнала, реализованных на электронных платах, форма ВФХ одного и того же сенсора отличается в зависимости от схемы измерения. Рабочие точки для каждого случая были выбраны, согласно выше описанной методике (рис. 3, б), после чего были исследованы динамические характеристики МДП-сенсора при отклике на концентрацию 5 ppm водорода. Результаты приведены на рис. 5, б, а также в табл. 2.
Таблица 2
Результаты исследования чувствительности МДП-сенсора
Параметры сравнения |
Метод измерения емкости |
||
ИМ |
ММ |
МД |
|
Uсм рабочей точки, мВ |
-500 |
-400 |
-200 |
сдвиг ВФХ, мВ |
-74 |
-50 |
-70 |
отклик ∆С, пФ |
64 |
128 |
70 |
SН2, пФ/ppm |
12,8 |
25,6 |
14 |
τ0,9; τ0,1; τполн, мин |
9; 14; 25 |
8; 11; 30 |
6; 9; 20 |
КminН2, ppb |
35 |
30,5 |
43 |
Обозначения: SН2 – чувствительность к водороду; τ0,9; τ0,1; τполн. – характерные времена отклика и релаксации; КminН2 – минимально обнаружимая концентрация водорода, рассчитанная по формуле КminН2 = (3∙СШУМ)/SН2.
Согласно [7], по сравнению с SН2 (чувствительностью МДП-сенсоров к водороду), SNO2 и SН2S больше на 2-3 порядка величины, соответственно. Таким образом, все анализируемые в статье методы измерения позволяют достичь минимально обнаружимых концентраций указанных газов на уровне 0,1-50 ppb.
Заключение
По результатам анализа методов измерения емкости МДП-сенсора можно сделать следующие выводы.
Мостовая схема (F = 18 кГц, А = 200 мВ) позволяет достичь максимальной чувствительности МДП-сенсора, но сильно ограничивает диапазон измерения концентраций газов. Расширение диапазона измеряемых емкостей (а значит и диапазона концентраций) приводит к уменьшению чувствительности.
Измерительная схема, основанная на микросхеме PCap01, не ограничивает измеряемый диапазон емкости МДП-сенсора, что позволяет измерять концентрации газов от 0 до 100 %. Чувствительность этого метода ниже, чем у мостового.
Электронная плата, основанная на методе с делителем, занимает промежуточное положение (по чувствительности и диапазону измеряемых концентраций) между ММ и ИМ.
Таким образом, мостовая схема измерения емкости МДП-сенсоров подходит для лабораторных измерений, где важны точность и большая чувствительность; измерительная схема, основанная на методе с делителем, рекомендуется к использованию при измерении концентраций газов на уровне 1…5 ПДК жилой и рабочей зон; измеритель на базе микросхемы PCap01 подходит для детектирования больших концентраций газов, главным образом, водорода.
Исследование выполнено за счет гранта РНФ (проект № 18-79-10230).
This work is supported by the Russian Science Foundation under grant 18-79-10230.
Литература
1. Zainab Yunusa, Mohd. Nizar Hamidon, Ahsanul Kaiser, Zaiki Awang Gas Sensors: A Review // Sensors & Transducers – 2014. – N 168. – Р. 61-75.
2. Шумский И.А. Измерение вольт-фарадных характеристик полупроводниковых приборов – выбор современного бюджетного решения // Контрольно-измерительные приборы и системы – 2017. – N 2. – С.10-16. [Shumskiy I.A. Semiconductor C-V characteristic measurement - choosing up-to-date low-cost solution // Test & Measuring Instruments & Systems – 2017. – N 2. – Р. 10-16. (In Russian)].
3. Николаев И.Н., Литвинов А.В., Емелин Е.В. О механизме чувствительности МДП-сенсоров к концентрациям газов и паров жидкостей // Датчики и системы – 2006. – N 7. – С. 66-74. [Nikolaev I. N., Litvinov A. V., Yemelin E. V. A model of MIS sensors sensitivity mechanism to gas concentration // Sensors & Systems – 2006. – N 7. – Р. 66-74. (In Russian)].
4. Петров В.В. Изучение методов измерения емкости: метод. указания. – Нижний Новгород, 2015. – 21 C. [Petrov V.V. The study of methods for measuring capacity: method. instructions. – Nizhny Novgorod, 2015. – 21 Р. (In Russian)].
5. Method and device for detection the hydrogen. // SEMICONDUCTOR SENSORS INC. – patent GB 1520456 A from 1978-08-09.
6. Власов Ю.Г. Проблемы аналитической химии // Научный совет по аналитической химии ОХНМ РАН. – М.: Наука, 2010. ‑ 399 С. [Yu.G. Vlasov Problems of analytical chemistry. – Moscow: Science, 2015. – 399 Р. (In Russian)].
7. Николаев И.Н., Литвинов А.В., Емелин Е.В. Возможности использования МДП-сенсоров в качестве чувствительных элементов газоанализаторов // Датчики и системы – 2007. – N 5. – С. 66-74. [Nikolaev I. N., Litvinov A. V., Yemelin E. V. MIS sensors potentialities as sensing elements in gas analyzers // Sensors & Systems – 2007. – N 5. – Р. 66-74. (In Russian)].