На главную

Детекторы обнаружения токсичных веществ на основе полупроводниковых сенсоров

Применение полупроводниковых датчиков, или сенсоров, в качестве детекторов СДЯВ, ВВ и других токсичных веществ в воздухе, требует решения проблемы «трех S» - sebsitivity, selectivity, stability – то есть повышения чувствительности, селективности и стабильности газочувствительных сенсоров.

Существует достаточно много разработок в области создания полупроводниковых газочувствительных датчиков, и, как к первичным преобразователям, к ним предъявляются достаточно серьезные требования.

Для решения задачи «трех S» проведен ряд комплексных исследований, которые позволили разработать технологический процесс серийного производства полупроводниковых датчиков – сенсоров, удовлетворяющих требования современного газового анализа.

Исследования проведены по программе, включающей не только лабораторный цикл, но и испытания единичных сенсоров по проверке чувствительности, быстродействия и стабильности их работы.

В результате проведенных исследований разработаны:

- методика синтеза полупроводников с электронной и дырочной проводимостью на основе оксидов металлов: SnO2, V2O3, MoO3, Cu2O, NiO, ZnO;

- методика легирования электроуправляющими добавками и каталитическими примесями: Sb2O3, La2O3, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, PbO, MgO, AgO, SeO2, SrO, Zn, Pd, Ni, Pt и Au;

- методики аналитического контроля промежуточных продуктов для коррекции состава ксерогеля;

- методика сушки, прокаливания и получения газочувствительной пасты;

- топология трафаретов группового нанесения;

- регламент спекания полупроводниковой керамики;

- технология установки единичных и мультиканальных микрочипов в корпуса.

Помимо этапов технологического процесса серийного выпуска газочувствительных сенсоров, разработаны принципы формирования мультиканальных систем на основе единичных микрочипов, схемы их включения в измерительные цепи и математический аппарат обработки первичной информации.

Проведенные исследования в области синтеза газочувствительного материала, формирования рабочих слоев газовых сенсоров и, наконец, технология производства полупроводниковых датчиков, позволили разработать несколько типов сенсоров, отвечающим современным требованиям газового анализа и решить задачу «трех S» для ряда случаев.

Сегодня разработаны и производятся опытные партии полупроводниковых адсорбционных датчиков следующих типов и вариантов по применению:

- Серия «Моно» - стандартные датчики;

- Серия «Дуо n-p» - двухканальные датчики с комбинированным p-n (n-p) переходом;

- Серия «Квадро» - 4-х канальные датчики, включенные в мостовую схему;

Серия «Моно»

Датчики серии «Моно» выполнены по стандартной конструкции типа «сэндвич», то есть на подложку с двух сторон нанесены нагревательный элемент и газочувствительный слой.

Материал основы: SnO2, NiO, ZnO, Cu2O. Электроуправляющие примеси: Sb2O3, La2O3, Fe2O3. Примеси – катализаторы: Ni, Ag, Zn, Cu, Pd, Au, Bi, Mo, Se, Sr, Al, Mg, La, Co, Fe3O4, Fe, Mn.

                                                              

  Серия «Дуо»

Данная серия реализует n-p переход посредством образования гетеро границы между слоями полупроводников n и p типа, нанесенных на общую подложку. В качестве основы использованы полупроводники SnO2, NiO, ZnO и Cu2O, модифицированные как электроуправляющими, так и каталитическими примесями.

Данная схема позволяет увеличить вариантность включения сенсоров в схему общего детектирования, используя вариации n-p переходов, как в прямом, так и в обратном прохождении тока. В данном случае два рабочих тела обеспечивают селективное обнаружение газов восстановителей и газов окислителей.   

     

  Серия «Квадро»

            В данной серии на поверхность стандартной подложки (2х2 мм) нанесено 4 рабочих слоя различного вещественного состава. Топология позволяет использовать каждый рабочий слой, как автономно, так и по мостовой схеме включения, что значительно повышает количество степеней свободы и селективность обнаружения. Кроме того, серия «Квадро» позволяет расширить схему детектора до 16 автономных каналов. 

                                                             

 

На основе полупроводниковых датчиков (сенсоров), формируются детекторы для обнаружения широкого перечня СДЯВ, ВВ и ТХ.

        Исследования, проведенные в лаборатории и результаты, подтвержденные на испытаниях единичных и мультисенсорных элементов, позволили разработать электронные схемы и алгоритм работы газовых детекторов. Определены технические условия по применению детекторов, включая систему отбора проб. Также разработан математический аппарат обработки первичной информации и алгоритма контроля работоспособности аналитической системы в целом.

            Сегодня разработаны, изготовлены и испытаны следующие варианты газочувствительных детекторов:

            - 2-х канальные, включающие два автономных единичных датчика;

            - 4-х канальные, включающие четыре автономных единичных датчика;

            - 2-х канальные, объединенные в единую систему;

            - 4-х канальные, объединенные в единую систему.

        Разработанные детекторы состоят из модуля датчиков, с количеством аналитических каналов равным 2n, где n – целое число и принимает значения от 2 до 6, побудителя расхода, газодинамического импактора и электронной схемы управления. 

 

        Как самостоятельное устройство детектор подключается к средствам индикации и специальной обработки первичной информации посредством интерфейса RS-485, сопрягаемого с USB каналом при управлении драйвера записи – чтения и коррекции параметров алгоритма работы. 

 

 

        Микроконтроллер детектора позволяет хранить информацию о настройке применяемых датчиков, параметры алгоритма работы и управлять устройством отбора проб (побудителем расхода и газодинамическим трактом).

        Также микроконтроллер позволяет проводить обработку информации в соответствии с заданным алгоритмом в реальном масштабе времени.

        В математическом аппарате обработки результатов измерения применяются методы анализа статистической неустойчивости (Z-преобразование):

алгоритмы сглаживания с помощью вейвлетов, сформированных из первых производных функции Гаусса:

 

спектральные преобразования по вейвлет базису, составленному из производных Z-преобразования исходного сигнала (напряжения):

Математический аппарат, реализованный на применяемой элементной базе, позволяет в реальном масштабе времени:

- проводить считывание информации в цепи включения датчиков с частотой 1 кГц;

- определять параметры статистической неустойчивости для преобразования аналогового сигнала в цифровой;

- проводить спектральные преобразования (по базису гауссовых вейвлетов) для идентификации вещества;

- рассчитывать коэффициенты кинетического уравнения изменения аналитического сигнала вследствие процесса хемосорбции;

- формировать пакет данных для передачи во внешние устройства для индикации, дальнейшей обработки и хранения результатов измерения.