Адсорбцiйнi чутливi елементи (стр. 2 из 2)
Рис. 1.1АЧЕ пластинчатої конструкції
Рис. 1.2 АЧЕ трубчатої конструкції
Серійні АЧЕ, як правило, виготовляються у вигляді конструктивно завершених виробів, із стандартним розташуванням виводів. Для захисту від вибуху використовуються спеціальні сітки, армовані пластмасою або металом.
1.3 Адсорбційні чутливі елементи нового покоління
Останнім часом з’явились АЧЕ, що працюють в режимі циклічної зміни температури, при якому робоча температура змінюється періодично між двома специфічними станами: високою температурою (В) – для очищення поверхні напівпровідникового газочутливого шару АЧЕ і низькою температурою (Н) – для детектування певного газу.
При використанні цього режиму роботи можна досягти високої чутливості АЧЕ до того чи іншого газу з хорошою селективністю і відтворюваністю сигналу завдяки тому, що поверхня чутливого елемента очищується при високій температурі в кожному циклі. Прикладами практичної реалізації цього режиму роботи є елемент SB-50 японської фірми FIS, у якого термоочистка здійснюється через кожні 15 с і триває протягом 5 с [4]. Принцип роботи такого АЧЕ показано на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Принцип роботи АЧЕ-СО
Характерною особливістю АЧЕ нового покоління є використання їх разом з мікропроцесорами, які керують їх роботою, враховують вплив оточуючого середовища, перш за все температури, та формують вихідні сигнали, або спеціальні модулі з нормованими сигналами (pre-calіbrated module). Мікропроцесори виконують також такі спеціальні функції:
– забезпечення режиму роботи нагрівника,
– компенсація температурних впливів,
– функція сигналізації,
– функція пам’яті для калібрування,
– затримка сигналізації,
– формування керуючих вихідних сигналів тощо.
Особливої уваги заслуговують двокомпонентні АЧЕ, які дають змогу одночасно визначати наявність в повітрі двох газів – метану та оксиду вуглецю. В основу їх роботи покладено той факт, що, як видно з рис. 1.4 оптимальні робочі температури газочутливого шару, необхідні для визначення оксиду вуглецю і метану, суттєво відрізняються. При робочій температурі приблизно 400 °С сенсор реагує на метан і практично не реагує на оксид вуглецю, а при робочій температурі приблизно 100 °С – навпаки.
Рис. 1.4 Температурна залежність опору АЧЕ в повітрі та при наявності метану та чадного газу.
При роботі АЧЕ в режимі циклічної зміни робочої температури можливо визначати два гази: при низькій температурі (Н) – оксид вуглецю, а при високій (В) – метан, як показано на рис. 1.5.
Рис. 1.5 Принцип роботи двокомпонентного АЧЕ.
2 ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДЖЕННЯ АЧЕ, ЩО ПРАЦЮЮТЬ В РЕЖИМІ ЦИКЛІЧНОЇ ЗМІНИ ТЕМПЕРАТУРИ
2.1.Опис пристрою реєстрації аналогових сигналів
Дослідження АЧЕ, що працюють у режимі періодичної зміни температури, потребує розробки спеціального технологічного обладнання [7].
Для дослідження, розробки, виробництва та атестації таких АЧЕ, а також приладів на їх основі, в СКБ ЗАТ розроблено пристрій реєстрації аналогових сигналів (ПРАС) [8]. Він дозволяє візуального спостерігати та реєструвати на ПК низькочастотні аналогові сигнали шляхом вимірювання амплітудних та часових параметрів досліджуваного сигналу, одночасного зображення від двох до шести досліджуваних сигналів на одній розгортці та зображення функціональних залежностей між кількома сигналами. ПРАС складається з:
– вимірювального блоку, розташованого в пластмасовому корпусі;
– дискети з програмним забезпеченням ;
– блоку живлення + 5 В (при необхідності);
– кабелю для підключення до COM порту (“миша”).
Зареєстрований з допомогою пристрою сигнал може бути збережений для подальшої обробки на комп’ютері та роздрукований.
Вимірювальний блок виготовлений на основі мікроконтролера Attіny15L. Технічні параметри пристрою реєстрації аналогових сигналів приведені в табл.. 2.1.
Таблиця 2.1. Технічні параметри пристрою реєстрації аналогових сигналів
| Технічні параметри | Значення |
| Номінальна напруга живлення | +5 В |
| Кількість каналів | від 1 до 4 |
| Режим роботи | переривчастий |
| Синхронізація | внутрішня |
| Частота вимірюваних сигналів | не більше 50 Гц |
| Діапазон вимірюваних сигналів | 0..+5 В |
| Точність вимірювання | 1% від напруги живлення |
| Діапазон часових інтервалів розгортки | 1 – 60 хв. |
| Вхідний активний опір аналогового входу | не менше 10 МОм |
| Вхідна ємність аналогового входу | не більше 100 пФ |
| Потужність споживання | не більше 200 мВт |
2.2 Дослідження двокомпонентних АЧЕ
Дослідження двокомпонентних АЧЕ проводяться на спеціальному стенді, структурну схему якого зображено на рис. 2.1. Керуючий пристрій (спеціально запрограмований мікроконтролер) здійснює керування електричною схемою, знімає покази АЧЕ та забезпечує двосторонній зв’язок з ПК. За допомогою спеціальної комп’ютерної програми можна задавати значення напруги на нагрівнику і часові інтервали подачі високої та низької напруг. У стенді передбачено окремий вихід для зміни опору навантаження в схемі вимірювання (на рисунку не зображено), оскільки опір газочутливого шару суттєво відрізняється для різних типів АЧЕ та режимів роботи. Зміну напруги на нагрівнику Uн та газочутливому шарі Uш (прямо пропорційна опору і залежить від Uн та концентрації газу) можна візуально спостерігати на моніторі ПК, записувати значення напруги на обраних каналах у файл для подальшої обробки засобами Excel, Orіgіn або інших комп’ютерних програм.
На рис.2.2 приведена зміна напруги на нагрівнику АЧЕ Uн (червоний колір) та газочутливому шарі Uш (синій колір) при подачі на АЧЕ сигнальної концентрації окису вуглецю - 50 ppm. АЧЕ включений у схему вимірювання газосигналізатора ГСБ-01-4, який призначений для сигналізації наявності концентрації СО ≥ 50 ppm та СН4 ≥ 0,5 % об. у побутових приміщеннях. Рівень сигнальної напруги ГСБ-01-4 у даному випадку відповідає значенню 4.0 на графіку. Підстроювання порогового значення Uш здійснюється підстроєчним резистором.
Рис.2.2 Реакція стенду на подачу на чутливий шар АЧЕ 50 ppm CO.
На рис.2.3 приведена зміна напруги на нагрівнику АЧЕ Uн (червоний колір) та газочутливому шарі Uш (синій колір) при подачі на АЧЕ сигнальної концентрації метану - 0,5 % об. АЧЕ включений у схему вимірювання газосигналізатора ГСБ-01-4, який призначений для сигналізації наявності концентрації СО ≥ 50 ppm та СН4 ≥ 0,5 % об. у побутових приміщеннях. Рівень сигнальної напруги ГСБ-01-4 у даному випадку відповідає значенню 4.5 на графіку. Підстроювання порогового значення Uш здійснюється підстроєчним резистором.
Рис.2.3. Реакція стенду на подачу на чутливий шар АЧЕ 0,5 % об. CН4.
Подібний стенд використовується при серійному виробництві газових сенсорів на СО, двокомпонентних газових сенсорів та при калібруванні газосигналізаторів ГСБ-01-4 (СО, СН4).
Висновки
В результаті виконання курсової роботи:
1. Зроблено огляд літератури про адсорбційним чутливим елементам, зокрема принципу їх роботи, класифікації по газам, що детектуються, конструкції, а також адсорбційним чутливим елементам нового покоління.
2. Виявлені провідні фірми у галузі напівпровідникових газових сенсорів – японські фірми FIGARO та FIS, які протягом тривалого часу визначають світові тенденції розвитку галузі.
3. Освоєна робота з розробленим в СКБ ЗАТ пристроєм реєстрації аналогових сигналів та стендом контролю параметрів двокомпонентних АЧЕ.
4. Приведені результати досліджень двокомпонентних АЧЕ
Список використаної літератури
1. Волькенштейн Ф.Ф. Электронные явления в хемосорбции икатализе на полупроводниках. Москва, "Наука", 1969
2. Киселев В.Ф., Крылов О.В. Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках и диэлктриках, Москва,"Наука", 1979.
3. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / И.А. Мясников, В.Я. Сухарев, Л.Ю. Куприянов, С.А. Завьялов.–М.: Наука, 1991. – 327 с.
4. Рекламні матеріали фірми FІS: www.fіsіnc.co.jp
5. Рекламні матеріали фірми FІGARO: www.fіgarosensor.com
6. Малогабаритные газоанализаторы. Современное состояние и тенденции развития. Обзорная информация. Сер. ТС-4 “Аналититические приборы и приборы для научных исследований”, вып. 2, Москва, 1989 г.
7. П’янкова Є.П., Алякшев І.П., Кормош В.В., Міца В.М. Особливості дослідження характеристик адсорбційних чутливих елементів // 2-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (УНКФН-2). – Чернівці: Рута, 2004. – Т. 1. – С. 226-227.
8. Кормош В.В., Алякшев І.П., Козубовський В.Р Атестація багатокомпонентних напівпровідникових газових сенсорів та приладів на їх основі // 3-а Міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна електроніка та мікросистемі технології» (СЕМСТ-3). – Одеса, 2-6 червня 2008 р.