• расширение диапазона измерений твердотельных СНД;
• создание твердотельных СТЗЧ с управляемым порогом чувствительности, реализующихся в разработке рядов унифицированных СНД, СТЗЧ, ПСО в виде: микроминиатюрных приборов, "систем-в-корпусе" (гибридная микросхема), "систем-на-кристалле" и СБИС, а также создание рентгеновского детектора как в виде микроминиатюрного прибора, так и "системы-в-корпусе".
При разработке наземного сегмента основными направлениями работ являются:
• адаптация существующих каналов связи для системы мониторинга ИИ КП (включая доработку программных и аппаратных средств);
• создание (с использованием имеющегося аппаратно-программного задела) ЦНС, ЛННС и ЛНС ИСС.
В результате проведенной работы были определены цели, задачи, технические требования, разработаны структура и состав системы мониторинга ионизирующих излучений космического пространства в целом, ее наземного и бортовых сегментов, сформулированы основные направления работ по их развитию.
ЛИТЕРАТУРА
1. Koons H. C, et al. The impact of the space environment on space systems // Aerospace technical Report. TR-99 (1670). — 1999. — N 1.
2. Белов А. В., Дробжев В. И, Дрынь Е. А., и др. Использование наземных возрастаний солнечных космических лучей для оценки радиационной опасности: создание алертного сигнала // Докл. Междунар. научн. конф. "Суверенный Казахстан: 15-летний путь развития космической деятельности". — Алматы, 2006.
3. Анашин В. С. Отраслевая система мониторинга воздействия ионизирующих излучений космического пространства на радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов // Тез. докладов 7-й Междунар. конф. "Авиация и космонавтика-2008".— М.: МАИ, 2007.
4. Анашин В. С. Мониторинг воздействия ионизирующих излучений космического пространства на радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов // Тез. док. науч.-техн. конф. "Информационно-управляющие системы — 2008". — Королев, 2008.
5. Анашин В. С. Обеспечение высоких сроков активного существования радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов в рамках российско-белорусского сотрудничества // Российский космос. — 2008.
Василий Сергеевич Анашин — канд. техн. наук, зам. генерального директора — начальник научно-производственного комплекса, зам. главного конструктора ФГУП "Научно-исследовательский институт космического приборостроения".
® (495) 673-93-65, 673-99-26
E-mail: systema-npp@mail.ru □
УДК 621.382
УВЕЛИЧЕНИЕ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВОДОРОДА МДП-СЕНСОРАМИ
Л. Н. Калинина, А. В. Литвинов, И. Н. Николаев, К. Н. Сулханова
Рассмотрен новый тип МДП-сенсоров со структурой Ag—Pd—Ta2O5—SiO2—Si, позволяющих без специальных методов отбора газовой пробы измерять концентрации водорода в воздухе до 20 об. %. Ключевые слова: МДП-сенсор, измерение концентраций водорода
МДП-сенсоры обладают высокой чувствительностью, хорошей воспроизводимостью показаний, большим ресурсом работы [1], хорошо зарекомендовали себя в газоанализаторах водорода, в различных областях науки и техники [2—6]. Однако в связи с активно развивающейся водородной энергетикой требуются сенсоры с расширенным диапазоном измеряемых концентраций водорода. В статье [7] сообщалось об увеличении верхнего предела доступных для измерений концентраций водорода с 0,5 до 10 об. %; в настоящей работе этот предел увеличен до 20 об. %.
Метод увеличения диапазона измеряемых МДП-сенсорами (МДПС) концентраций вытекает из модели механизма их чувствительности [8]. На
рис. 1 схематически показана структура МДПС, в которой молекулы измеряемого газа из атмосферы сорбируются на поверхности металлического электрода, а затем диффундируют вглубь структуры. Коэффициент диффузии ^ в металлическом электроде больше коэффициента диффузии в переходном слое "металл — диэлектрик", где молекулы захватываются ловушками, созданными при напылении металла на диэлектрик. За счет ориентации электрических дипольных моментов молекул и создаваемого ими электрического поля носители заряда в полупроводнике (под слоем диэлектрика) пространственно перераспределяются, при этом изменяется электроемкость МДПС
и Металл V " Переходный слой «металл-диэлектрик» Диэлектрик Полупроводник
Атмосфера и"3 Л \\ \ \ Ч'\
0
Х1 Х2 Х3 Х4
Рис. 1. Распределение концентрации газа в МДП-структуре (схематически):
1 — при концентрации в атмосфере их; 2 — при концентрации П2 («2 > их); 3 — распределение концентрации ловушек по глубине
на величину АС. Электронной схемой газоанализатора АС преобразуется в электрическое напряжение А и. Штриховой линией на рис. 1 показано распределение плотности ловушек Лх), а сплошными — распределение плотностей молекул измеряемого газа при равновесии для двух концентраций молекул в воздухе. Полное число ловушек на единицу площади металлического электрода рав-
но: Л0 =
а число атомов газа, дошедших
до переходного слоя и захваченных ловушками
п0 = апБ *в, (1)
где а — коэффициент адсорбции молекул на поверхности металлического электрода; п — концентрация молекул в атмосфере; Б * — эффективный коэффициент диффузии, зависящей от Б и ^2; в — размерный коэффициент.
Можно выделить три условия, определяющих степень заполнения ловушек:
по < мЛ0; (2)
по ~ мЛЬ; (3)
по > мЛ0, (4)
где м — вероятность захвата молекулы ловушкой.
Чувствительность МДПС ^ = йи/йп существенно зависит от концентрации п. Соотношение (2) соответствует малым концентрациям в диапазоне 0—пдо (кривая 1 на рис. 1), когда максимальная глубина проникновения молекул Х2 меньше глубины распространения ловушек Х3. Соотношение (3) выполнятся при условии Х2 « Х3, соотношение (4) — при условии Х4 > Х3 (кривая 2 на рис. 1). Этим трем условиям соответствуют три участка статической характеристики: при п ^ 0 наблюдается резкая зависимость и(п) и, соответственно, большая чувствительность сенсора ¿1; при проме-
жуточных значениях п — малая чувствительность ¿2, при больших п наступает насыщение и ^ ^ 0.
Таким образом, путь расширения диапазона доступных для измерений концентраций состоит в том, чтобы условия (2) и (3) выполнялись для как можно больших п. Решение зависит от величин а, Б*, м и N0, зависящих в свою очередь, от конкретной пары "металл — диэлектрик".
В работе [7] было экспериментально установлено, что лучшим сочетанием для МДПС является структура Pd—SiзN4—Si. Однако есть и другой путь — уменьшить число проникающих в переходный слой молекул с помощью фильтра в виде тонкой пленки, нанесенной на поверхность металлического электрода.
В настоящей работе были изготовлены сенсоры со структурами M—Pd—Ta2O5—SiO2—Si (буква М обозначает пленку металла) и исследованы сенсоры с различными металлами: Та, Мо, Аи, Ag. Во всех случаях, кроме последнего, у сенсоров при этом существенно уменьшились чувствительность и быстродействие. На сенсорах со структурой Ag—Pd—Ta2O5—SiO2—Si чувствительность также уменьшилась, но быстродействие не изменилось в сравнении с "классическими" сенсорами со структурой Pd—Ta2O5—SiO2—Si.
На рис. 2 показаны статические характеристики сенсоров: "классического", со структурой Pd—SiзN4—Si из [7] и пассивированного серебром (толщина пленки Ag около 25 нм) со структурой Ag—Pd—Ta2O5—SiO2—Si. Характеристики пронормированы по величине сигнала газоанализатора при п = 10 об. % Н2. Видно, что у пассивированного серебром сенсора сигнал не насыщается даже при п = 20 об. % Н2, т. е. верхний предел доступных для измерений концентраций составляет более 20 об. % Щ. Это можно объяснить тем, что Ag может вступать в химическую реакцию с Н 2 [9, 10]:
2Ag + Н2 = 2AgH. (5)
1
Т
3
/
!
/
5 10 15
Концентрация водорода, об. %
20
Рис. 2. Статические характеристики различных типов сенсоров водорода:
1 — Pd—Ta2O2—SiO2—Si; 2 — Pd—Si3N4—Si; 3 — Ag—Pd— Ta2O2—SiO2—Si
Х
х
3
х
0
Датчики и Системы • № 4.2009
7
7 6
m
ft 5
о
ю
5 А
6 4
« S
я
cs
3 «
О
С
¿у* I3
1 А
/ 2 \\
\\
V t
1
И
4 5 6 7 Время, мин
10
Рис. 3. Динамические характеристики сенсора со структурой Ag—Pd—Ta2O5—SiO2—Si при 100 X и концентрации Й2 в воздухе:
1 - 0,5 об. %; 2 - 5 об. %; 3 - 15 об. %
По-видимому, на поверхности и внутри пассивирующей пленки серебра осуществляются условия для такой реакции, уменьшающей число молекул, проникающих вглубь сенсора. Поэтому теперь имеем:
п0 = а^ув, (6)
где а1 — коэффициент адсорбции водорода на поверхности пленки Ag; у < 1 — коэффициент пропускания водорода пленкой Ag; — эффективный коэффициент диффузии с пленкой Ag. В соотношении (6) п*0 меньше, чем по в соотношении (1), т. е. пленка серебра выступает в роли "химического" фильтра.
Для ответа на вопрос, не возрастает ли чувствительность сенсора к Н2 со временем за счет уменьшения числа не прореагировавших с водородом атомов Ag при длительной работе сенсора в атмосфере, содержащей большие концентрации Н2, были проведены два эксперимента.
В первом эксперименте было установлено, что после 20 часов выдержки в смеси "воздух + +2 об. % Н2", чувствительность вначале уменьшалась в 2 раза, а затем оставалась постоянной в течение 220 часов. Такой же эффект имеет место и для "классических" сенсоров.
Во втором эксперименте проводились аналогичные испытания на сенсорах, у которых толщина пленки Ag была в 10 раз меньше, но на них изменения чувствительности не было обнаружено, т. е. "свободных" атомов Ag (способных вступать в реакцию (5)) было вполне достаточно для прохождения химической реакции с образованием гидрида серебра в течение длительной работы сенсора.
На рис. 3 показаны динамические характеристики пассивированного серебром сенсора для трех различных концентраций Н2 при температуре
сенсора 100 °С. Аналогичные характеристики были получены при 150 °C. Было обнаружено, что:
— при увеличении рабочей температуры сенсора от 100 до 150 °C время отклика, то 9, уменьшается примерно в 1,5—2 раза; при 150 °C Т09 < < 1,5 мин;
— с увеличением температуры чувствительнос
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.