Пристрій для детектування газів та спосіб його використання

Винахід відноситься до пристроїв для реєстрації наявності і розподілу (дискримінації) різноманітних газових домішок у атмосферному повітрі та методу аналізу сигналу відгуку від нього для систем контролю складу газів, наприклад, для контролю газового складу навколишнього середовища. Відомий цілий ряд пристроїв, у яких напівпровідникові газові сенсори, використовуються для детектування того, чи іншого газу. Наприклад [1] газовий сенсор на базі SnО2 дозволяє реєструвати наявність CO. Його селективність забезпечується багатокомпонентним легуванням. Але ця селективність є недостатньою. Також неможливо за допомогою цього одного сенсора реєструвати різні газові домішки. Відомий газовий детектор [2], що дозволяє реєструвати цілий ряд домішок. Його недолік полягає в тому, що він складається з великої кількості по суті незалежних напівпровідникових газових сенсорів, селективність кожного з яких до свого газу також є недостатньою при вельми складній конструкції. Відомий [3] напівпровідниковий газовий сенсор на основі оксиду металу і метод його застосування, що полягає в тому, що вольт-амперна характеристика сенсора логарифмується (при цьому це робиться при різних постійних температурах) і поведінка логарифму цієї характеристики комп’ютерним методом порівнюється з раніше одержаними для різних газів, що зберігаються в пам’яті машини. Недоліком цього пристрою є складність одержання результатів а також недостатня їх однозначність, що обумовлено невеликою селективністю. Відомий спосіб, що дозволяє реєструвати нелінійність вольт-амперної характеристики, за рахунок вимірювання однієї з її похідних у різні моменти часу та (або) при різних частотах несучої напруги w . Для цього, наприклад, використовується радіотехнічний метод отримання другої похідної вольт-амперних характеристик [4] з розділенням у часі, який базується на тому, що в вимірювальне коло додатково вводиться напруга фігої амплітуди виду: U = A(1 + cos Wt ) sin wt де U – додаткова напруга фігої амплітуди, А – амплітудне значення цієї напруги, W - частота модуляції, w несуча частота, t – час. Сигнал на частоті W є пропорційним другій похідній вольт-амперної характеристики сенсора. é A2 ù 7 4 IV IW ( V ) = ê iII ( V ) + A i ( V ) + ... ú cos Wt 64 ê 2 ú ë û Де I W ( V ) -сигнал, пропорційний другій похідній вольт-амперної характеристики сенсора, V – значення напруги на вольт-амперній характеристиці, якій відповідає струм І, А – амплітудне значення напруги модуляції, іІІ - друга похідна вольт-амперної характеристики, і IV четверта похідна вольт-амперної характеристики, W - частота модуляції, t – час. Найбільш близьким до пропонованого винаходу є пристрій детектування, який містить газовий сенсор і спосіб розпізнавання з його допомогою різних газів [5], що полягає в тому, що сенсор побудований на контакті двох оксидних напівпровідників p та n , а вимірювальний блок складається з вольтметру, амперметру, низькочастотного аналізатору імпедансу сенсора та персонального комп’ютера. Спосіб використання цього пристрою полягає в тому, що до сенсора окрім постійної напруги зміщення прикладається ще змінна напруга, що виробляється низькочастотним аналізатором імпедансу, частота якої може змінюватись. Таким чином вимірюється імпеданс сенсора, в залежності від постійної напруги зміщення та частоти. Цей пристрій дозволяє розрізняти два гази: СО і Н2, відповідно до різного струму, що протікає через сенсор при зміні напруги зміщення та різних частотах додаткової змінної напруги. Недоліком цього пристрою та способу є можливість розрізняти лише два гази, а також необхідність попереднього проведення багатоциклічної калібровки. Задачею винаходу є забезпечення можливості детектування великої кількості різноманітних газів за допомогою одного напівпровідникового сенсора. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрої, який складається з блока живлення, вимірювального блоку, комутатора; сенсора на основі гетеропереходу між напівпровідниками, який уявляє собою структуру на основі ізотипного, або анізотипного гетеропереходу, вимірювальний блок додатково складається з електронного ключа, керуючого ним та комутатором генератора затриманих імпульсів, генераторів несучої частоти та її модуляції, блока виділення сигналу, синхронного детектора, накопичувальної ємності і повторювача (підсилювача), блока циклювання температури сенсора, який встановлений з можливістю синхронізації генератора затриманих імпульсів та перемикача, що встановлений з можливістю послідовного з’єднання блока живлення з комутатором, або генератором несучої частоти, при цьому гетероперехід виконаний у вигляді плівки, товщиною від 3 до 80нм, з інтегрованим нагрівачем зі сталою часу, що не перевищує одиниці секунд, а при реалізації способу використання запропонованого пристрою, що грунтується на вимірюванні вольт-амперних характеристик, спочатку перемикач ставлять в положення з’єднання блока живлення з комутатором, вимірюють другу, або вищі похідні вольт-амперної характеристики, причому вимір проводять при різних температурах в усьому діапазоні, який забезпечує блок циклювання температури, після чого перемикач ставлять в положення з’єднання блока живлення з генератором несучої частоти і вимірюють залежність амплітуди другої, або вищих похідної від несучої частоти при фіксованих значеннях температури сенсора і напруги зміщення і по результатах цих вимірів одержують селективне детектування газів. Тобто пропонований пристрій і спосіб його використання дозволяє забезпечити детектування великої кількості різноманітних газів при наявності лише одного сенсора. На фіг.1 представлена блок-схема вимірювального блоку. На фіг.2 представлені вольт-амперні характеристики напівпровідникового газового сенсора на базі структури оксид титану-кремній в чистому повітрі (крива 1) і при наявності парів аміаку (крива 2). I, ma – струм через гетероперехід в міліамперах, V, V – напруга на гетеропереході в вольтах. На фіг.3 представлені, другі похідні цих самих характеристик за тих самих умов. 1 – структура оксид титану – кремній в чистому повітрі, 2 – при наявності парів аміаку. І¢¢- значення другої похідної вольт-амперної характеристики в відносних одиницях, V,V – напруга на гетеропереході в вольтах. На фіг.4 представлені вольт-амперні характеристики напівпровідникового газового сенсора на базі структури двоокис олова - кремній в чистому повітрі (крива 1- w = 500 кГц , крива 2- w = 100 кГц , ) і при наявності домішки парів спирту (крива 3). І, mА – струм через гетероперехід в мікроамперах, V, V – напруга на гетеропереході в вольтах, w - несуча частота. На фіг.5 представлені другі похідні вольт-амперних характеристик цього сенсора при w = 500 кГц , криві 1 і 3 чисте повітря, крива 2 - повітря з домішкою парів спирту, крива 4 - повітря з домішкою парів хлороформу. І¢¢ значення другої похідної вольт-амперної характеристики в відносних одиницях, V – напруга на гетеропереході в відносних одиницях. На фіг.6 представлені вольт-амперна характеристика (1) і її друга похідна (2) для цього ж сенсора при наявності парів спирту. І, mА – струм через гетероперехід в мікроамперах, V, V напруга на гетеропереході в вольтах, І¢¢ - друга похідна в відносних одиницях. На фіг.7 представлено положення в вольтах (на осі абсцис) мінімуму другої похідної (для попереднього випадку) в залежності від температури сенсора. Vmin, V – положення мінімуму другої похідної в вольтах, Т – температура в градусах Цельсію. На фіг.8 представлено вид других похідних вольт-амперних характеристик при різних несучих частотах w . В таблиці наведені значення резонансної несучої частоти для цього ж сенсора в атмосфері чистого повітря і повітря з домішкою парів спирту, в залежності від товщини плівки оксидного напівпровідника та його температури.(див.табл.) Пристрій для детектування газів складається (фіг.1) з сенсора 1 із гетеропереходу напівпровідниками, при цьому гетероперехід зроблений у вигляді плівки товщиною від 3 до 80нм з інтегрованим малоінерційним нагрівачем, а вимірювальний блок складається з сенсора 1, блока живлення 2, комутатора 3,електронного ключа 4, генератора затриманих імпульсів 5, що керує комутатором і електронним ключем, генератора несучої частоти 6 і генератора 7 для її модуляції, блока виділення сигналу 8, синхронного детектора 9, накопичувальної ємності С і повторювача (підсилювача) 10, блоку циклювання температури сенсора 11, що синхронізує генератор затриманих імпульсів, та перемикача 12, що дозволяє з'єднувати блок живлення з комутатором (положення а), або з генератором несучої частоти (положення б). Блок живлення 2 виробляє повільно змінюючуся напругу, що через комутатор 3 подається на сенсор 1 (перемикач 12 у положенні а). Додатково через комутатор 3 на сенсор 1 подається напруга частоти w від генератора 6 несучої частоти, промодульована генератором 7 частотою W. Генератор затриманих імпульсів 5 виробляє прямокутні імпульси, що синхронізується блоком 11 температурного циклювання сенсора 1 з періодом T із заданою затримкою в часі t, що відповідає певній температурі сенсора (див. приклад реалізації), і на проміжок часу t відкриває комутатор 3, пропускаючи на сенсор суперпозицію напруги зміщення, що повільно змінюється і напруги модульованої несучої частоти. З блоку виділення сигналу 8 сигнал пропорційний похідній вольт-амперної характеристики сенсора 1 при діючій на даний момент напрузі зміщення і в момент часу t подається на синхронний детектор 9, що синхронизований генератором 7. Електронний ключ 4, що зв’язаний з генератором затриманих імпульсів 5, відкривається з періодом T, з тією самою затримкою в часі t і на той самий проміжок часу t, заряджаючи накопичувальну ємність С до діючуї в цей момент величини вихідної напруги синхронного детектора 9. Постійна заряду ємності С вибирається значно меншою t, а постійна її розряду значно більшою T, останнє забезпечується високим вхідним опором повторювача (підсилювача). Вихідні сигнали блока живлення 2 і повторювача (підсилювача) 10 використовуються для побудови похідної вольт-амперної характеристики сенсора при заданій температурі та заданій несучій частоті по координатах Х і Y, відповідно. При цьому напівпровідниковий гетероперехідний плівковий сенсор за допомогою тонкого і малоінерційного нагрівача температурно циклюється в діапазоні температур від такої, що забезпечує повне насичення його поверхні, або поверхневої плівки всіма типами газів, що детектуються, до такої, при якій відбувається їх повна десорбція. В певний момент часу від початку циклу (цей певний момент часу, зрозуміло, відповідає певній температурі температурного циклювання) проводиться вимірювання похідної вольт-амперної характеристики гетероперехідного напівпровідникового сенсора. Оскільки для різних газів (домішків) коефіцієнти адсорбції, десорбції, а також вплив цих домішок, що адсорбуючись на поверхню сенсора змінюють електричні властивості поверхневої плівки і границі розділу гетеропереходу, що утворює сенсор, відрізняються, то такий метод завдяки аналізу вигляду (форми) похідної (вищих похідних) вольт-амперної характеристики у різні моменти часу температурного циклювання дозволяє одержати надійне селективне детектування різних газів навіть на одному сенсорі. Зазначені вимірювання проводять при різних частотах несучої частоти w, але при фіксованих значеннях температури гетероструктури і постійної напруги зміщення. Це дозволяє збільшити кількість параметрів, які вимірюють і характеризують нелінійні властивості гетероструктури, при адсорбції певного газу, наприклад, висота потенційного бар'єру на границі розділу гетеропереходу, фактор ідеальності вольт-амперної характеристики, товщина перехідного шару, густина заряду на межі поділу гетеропереходу, тощо. Отримані параметри додатково використовують для підвищення селективності і надійності детектування певних газів, що входять до газової суміші. Після чого перемикач 12 знаходиться в положенні б, при ньому блок живлення 2, виробляючи повільно змінюючуюся напругу, керує зміною несучої частоти w генератора 6. Комутатор 3 при цьому відкритий постійно, додатково подаючи на сенсор наперед задану (незмінну в часі) постійну напругу зміщення разом з модульованою напругою несучої частоти. Блок температурного циклювання 11 в цьому режимі підтримує постійну (задану) температуру сенсора. Електронний ключ 4, що керується так само, як і комутатор 3, також постійно відкритий. Робота останніх блоків аналогічна описаному вище. Вихідні сигнали повторювача (підсилювача) 10 і блока живлення 2 в цьому варіанті використовують для побудови залежності амплітуди похідної вольт-амперної характеристики сенсора від значення несучої частоти w при фіксованих значеннях температури сенсора і напруги зміщення (координати Y і X, відповідно). Перемикач ставлять в положення з’єднання блока живлення з комутатором, вимірюють другу, або вищі похідні вольт-амперної характеристики, в атмосферному повітрі з домішками різних газів та парів. Наприклад: водню, метану, парів етилового спирту та аміаку, причому вимір проводять при різних температурах в усьому діапазоні, який забезпечує блок циклювання температури. Найлегше, при невисоких температурах, лише трохи перевищуючих кімнатну, відбувається десорбція водню. Далі - при більш високій температурі, відбувається десорбція метану, ще далі - парів спирту і, при найбільш високій температурі для вибраних чотирьох домішок, відбудеться десорбція аміаку. Аналіз отриманих похідних вольт-амперних характеристик дозволяє легко розрізнити перелічені домішки. Після чого перемикач ставлять вположення з’єднання блока живлення з генератором несучої частоти і вимірюють залежність амплітуди другої, або вищих похідної від несучої частоти при фіксованих (вже знайдених) значеннях температури сенсора і напруги зміщення і по результатах цих вимірів одержують значення концентрацій продетектованих вище домішок. Таблиця T, oC 20 40 60 80 Повітря 512 490 435 425 d=25нм. Газ 475 485 500 512 Df 37 5 -65 -87 Повітря 372 365 300 265 d=62,5нм. Газ 350 335 260 245 Df 22 30 40 20 Повітря 625 623 625 625 d=80нм. Газ 625 625 625 625 Df 0 -2 0 0