ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 2, с. 93-99
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 621.317.7.087.6:546.814-31
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ © 2013 г. И. Е. Грачева, В. А. Мошников, М. Г. Аньчков
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. профессора Попова, 5 Поступила в редакцию 24.04.2012 г. После доработки 21.05.2012 г.
Описана автоматизированная комбинированная установка, позволяющая проводить измерения чувствительности наноматериалов как в постоянном, так и в переменном электрическом поле в условиях изменения газовой среды и температуры детектирования газов-реагентов. Представлено разработанное программное обеспечение для анализа газочувствительных откликов. Показана возможность увеличения чувствительности и селективности систем типа "электронный нос" из нано-композиционных материалов на основе металлооксидов путем наложения возмущающего электрического воздействия с переменной частотой в диапазоне температур 300—400°С.
БО1: 10.7868/80032816213020067
ВВЕДЕНИЕ
В современной сенсорике в качестве газочувствительных слоев широко используются слои металлоксидов, обладающих электронным типом проводимости (8пО2, 1п203, ZnO, Ре2О3, СиО, ТЮ2 и др.) [1—7]. Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров на основе металлоок-сидных слоев заключается в обратимом изменении электрофизических свойств при адсорбции заряженных форм кислорода и десорбции продуктов их реакций с молекулами восстанавливающих газов при рабочих температурах.
Перспективным направлением развития сенсорики на основе металлооксидов является разработка датчиков с высокой газочувствительностью к селективно детектируемому газу, например сероводороду (чувствительный элемент выполнен на медьсодержащих поверхностных фазах слоев на основе диоксида олова) [8, 9], а также датчиков, в которых анализ газа происходит по изменению аналитического отклика при импульсном тепловом воздействии [10].
В последние годы интенсивно развивается концепция мультисенсоров, обеспечивающая создание нейронных сетей типа "электронный нос" [11-13].
Для получения газочувствительных сенсоров нового поколения большой интерес представляют технологические приемы создания пористых нанокомпозитных слоев с управляемыми и воспроизводимыми размерами пор [14-16]. Газочувствительность может резко возрастать на сетчатых
структурах с геометрическими размерами ветвей, соизмеримыми с дебаевской длиной экранирования, так как в процессах адсорбции-десорбции отношение сопротивлений в присутствии и в отсутствие восстанавливающего газа становится максимальным [17]. Еще больший интерес представляет развитие технологических методик получения иерархических трехмерных сетчатых структур [18, 19] с ветвями сетей, пронизанными наноразмерны-ми порами. При этом открываются перспективы использования в аналитическом отклике газочувствительного датчика как сигнала изменения ре-зистивной составляющей, так и сигнала, обусловленного емкостными свойствами детектируемого газа. Таким образом, трехмерная перколяционная сетчатая структура нанокомпозитов (рис. 1) на основе металлооксидов обеспечивает принципиальную возможность повышения селективности за счет различной способности поляризации восстанавливающих газов-реагентов. Заметный вклад в емкостный сигнал может вносить газ, заполняющий макропористое пространство между ветвями структуры чувствительного элемента (некоторое подобие системы воздушных конденсаторов). В этом случае информативность аналитического отклика на переменном электрическом токе возрастает [20-22].
Ранее в [23] была описана автоматизированная установка для измерения газочувствительности сенсоров на основе полупроводниковых нано-композитов в постоянном электрическом поле.
мкм 3.0
Ш
50-
40-
30-
20-
]
П-И
2.5 мкм
Рис. 1. Атомно-силовое изображение трехмерной перколяционной сетчатой структуры нанокомпозита на основе диоксида олова, полученной золь-гель методом (размер сканированного изображения 3 х 3 мкм) [18].
нм
Целью настоящей работы являлось создание комбинированной установки для измерения чувствительности полупроводниковых наноматери-алов на основе металооксидов как в постоянном, так и в переменном электрическом поле в условиях изменения газовой среды и температуры детек-
Рис. 2. Блок-схема лабораторного стенда. 1 — компрессор, 2 — осушитель, 3 — ротаметр, 4 — барботер, 5— вентиль, 6 — нагреватель, 7 — термостат, 8 — испытуемый сенсорный образец, 9 — термопара, 10 — измеритель иммитанса Е7-20.
тирования газов-реагентов. Кроме того, для измерительной установки было разработано программное обеспечение для анализа газочувствительных откликов.
Модифицированная комбинированная установка (рис. 2) при сохранении всех возможностей ранее созданной [23] может использоваться для анализа чувствительных слоев на переменном токе.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Комбинированная установка состоит из контрольно-измерительной системы на основе персонального компьютера и стенда для лабораторных испытаний полупроводниковых адсорбционных слоев [23]. Измеритель иммитанса Е7-20 (10) — прецизионный прибор класса точности 0.1 с широким диапазоном рабочих частот (25 Гц—1 МГц) и высокой скоростью измерений (до 25 измерений/с) — используется для измерения при синусоидальном напряжении параметров объектов, предоставляемых параллельной или последовательной двухэлементной схемой замещения.
Блок-схема контрольно-измерительной системы для проведений исследований в постоянном электрическом поле, основу которой составляет микроконтроллер ЛТМе§а 8535 фирмы Л1ше1 (тактовая частота работы 1 МГц) со встроенным 10-разрядным а.ц.п., приведена на рис. 3. Микросхема ADM202EA служит для преобразования сигналов ТТЬ-логики (от 0 до 5 В) в сигналы
Рис. 3. Блок-схема контрольно-измерительной системы.
RS232 протокола (от —9 до +9 В). Операционный усилитель ОР07СР используется для усиления сигнала, снимаемого с термопары 9 (см. рис. 2). Электронные ключи построены на биполярных транзисторах. В качестве источников тока применяются микросхемы LM334.
Система команд взаимодействия микроконтроллера с персональным компьютером (п.к.) приведена в таблице. Взаимодействие микроконтроллера и п.к. происходит по протоколу RS232 через СОМ-порт. Символьная скорость передачи 2400 бод обеспечивает высокий уровень помехозащищенности (с учетом выбранной тактовой частоты микроконтроллера).
При получении сигнала а, Ь или с (см. таблицу) микроконтроллер "замыкает" соответствующий электронный ключ, подключая один из источников тока к измеряемому сопротивлению. Измеренное с помощью встроенного а.ц.п. падение
напряжение передается в п.к. Следует отметить, что сопротивление выключенного источника тока на несколько порядков превышает измеряемые сопротивления, поэтому соединение всех трех источников в одной точке не влияет на работу каждого из них в отдельности. Встроенный а.ц.п., тактовая частота которого составляет 31 кГц, обеспечивает измерение напряжения от 0 до 5 В. Соответственно источники тока отрегулированы таким образом, чтобы создавать падение напряжения 5 В на резисторах с номиналом 100 кОм, 1 МОм и 5 МОм. Зная номер источника и значения, возвращаемые а.ц.п., можно судить о величине измеряемого сопротивления. При получении сигнала t измеряется напряжение на термопаре, усиленное операционным усилителем.
Для уменьшения погрешности измерений сопротивления используются дополнительные фильтрующие конденсаторы и экранированные провода.
Система команд взаимодействия компьютера и микроконтроллера
Команда от компьютера Расшифровка команды Ответ микроконтроллера
а Включить первый источник тока и 2 байта, характеризующие значение
измерить напряжение на резисторе сопротивления
Ь Включить второй источник тока и 2 байта, характеризующие значение
измерить напряжение на резисторе сопротивления
с Включить третий источник тока и 2 байта, характеризующие значение
измерить напряжение на резисторе сопротивления
t Измерить напряжение на термопаре 2 байта, характеризующие значение
температуры
Рис. 4. Интерфейс разработанной программы для э.в.м.
Измерение газочувствительности происходит в несколько этапов: нагрев сенсорного пленочного нанокомпозита в фиксированном потоке атмосферного воздуха до требуемой температуры, измерение сопротивления активного слоя при данной температуре и импульсная подача исследуемого газа или пара до момента стабилизации сопротивления активного слоя в этой среде. Результаты измерений записываются в файл в формате, пригодном для экспорта в программы статистической и математической обработки.
С помощью предложенной автоматизированной установки и разработанной программы для э.в.м. (рис. 4) [24] проводилось исследование образцов при наложении возмущающего электрического воздействия с переменной частотой в условиях изменения газовой среды и температуры детектирования газов-реагентов. Программа, написанная на языке Microsoft Visual Basic, позволяет осуществлять:
— выбор частотного диапазона измерений с заданным количеством рабочих точек;
— выбор уровня измерительного сигнала и величины напряжения смещения;
— работу с табличными данными, предусматривающую возможность редактирования и дополнения экспериментальных точек;
— удаление аномальных точек на графиках, соответствующих выбросам из общего набора данных и связанных с ошибочными измерениями, и обеспечение повторного измерения в заданных точках;
— обработку полученных экспериментальных данных как в табличном, так и в графическом исполнении в виде построения частотных зависимостей вещественной и мнимой составляющих комплексного сопротивления, модуля комплексного сопротивления, емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, вещественной и мнимой составляющих комплексной диэлектрической проницаемости, диаграмм Найквиста и диаграмм Коула-Коула;
— сопоставление годографов импеданса (графики зависимости мнимой от вещественной ком-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.