Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620 (стр. 3 из 10)
При выборе микросхемы операционного усилителя основным критерием при выборе была линейность всего измерительного блока. Проводились испытания блока с микросхемами AD832, AD820,AD282. Лучший результат по линейности соответствует блоку на базе AD820. Соответствующая вольт-кодовая характеристика приведена в Приложении 8.
Выбор устройства отображения информации
Для отображения результатов измерений и служебной информации необходимо применение точечно-матричного индикатора. В настоящее время существует 3 основных семейства устройств отображения информации- вакуумно - люминесцентные, светодиодные и жидкокристаллические.
Вакумно- люминесцентные приборы требуют относительно высоких (порядка 30-50 В) напряжений питания и дополнительных цепей питания переменного тока для обеспечения прогрева катода. Применение такого устройства отображения в данном приборе существенно увеличило бы его сложность и габариты.
Матричные светодиодные устройства отображения изготавливаются в виде относительно небольших матриц (как правило 7х5 или 8х8 элементов). Одного такого устройства достаточно для отображения одного символа. Для работы прибора необходимо одновременное отображение по, крайней мере, 12-15 символов. При сборке устройства отображения , удовлетворяющего таким требованиям из отбельных элементов по 1 символу возникают определенные технологические трудности, связанные с размещением большого количества электрических цепей на плате устройства отображения информации.
Жидкокристаллические устройства отображения информации лишены недостатков, присущих двум первым типам устройств отображения. Из-за этого и благодаря малому энергопотреблению они получили наиболее широкое распространение в современной технике.
Управление точечно-матричным устройством отображения организовано при помощи вертикальных и горизонтальных электродов, на пересечении которых расположены отдельные элементы отображения информации-точки. При подаче напряжения на один из горизонтальный электродов (строку изображения) на вертикальных электродах должны быть выставлены уровни напряжения, соответствующие активности элементов изображения в данной строке. При снятии напряжения со строки эти уровни должны быть сняты и вновь выставлены при активизации следующей строки. После того, как поочередно будут активированы все строки изображения цикл отображения должен быть повторен. При достаточно большой частоте активации строк человеческий глаз воспринимает изображение как неподвижное.
Для обслуживания устройства отображения необходимы существенные затраты ресурсов прибора, либо выделение отдельного блока, предназначенного для управления отображением информацией.
В приборе в качестве устройства отображения применяется стандартный ЖК модуль со встроенными схемами управления LM44780. Благодаря удобству интерфейса модуль удалось включить непосредственно в шину данных-адреса, что позволило избежать дополнительной загрузки портов микроконтроллера.
Краткое описание и основные характеристики устройства отображения информации приведены в приложении 9.
Описание прибора
Описание сенсора RS286-620
Сенсор RS 286-620 производства RS-Components представляет собой тонкопленочный полупроводниковый датчик для определения загрязненности воздуха. Датчик состоит из нагревателя и тонкопленочного чувствительного элемента. Частицы примесей, содержащиеся в окружающем датчик воздухе, адсорбируются на поверхности чувствительного элемента. Чувствительный элемент, состоящий из полупроводника, при адсорбции на его поверхности примесей приобретает дополнительные донорные или акцепторные уровни в запрещенной зоне. При подаче напряжения на нагреватель датчика температура полупроводника и кинетическая энергия электронов в нем возрастает. При достижении температурой определенного критического значения доля электронов, способных преодолеть запрещенную зону между верхним краем валентной зоны и энергетическим уровнем примеси-акцептора (либо между донорным уровнем примеси и нижним краем зоны проводимости) становиться достаточной для обеспечения заметного тока через чувствительный элемент. При длительном прогреве датчика молекулы примеси испаряются с поверхности чувствительного элемента (происходит самовосстановление датчика).
Фирмой-изготовителем предлагается определять степень загрязненности воздуха, измеряя проводимость датчика при постоянном значении температуры чувствительного элемента. Тогда может быть установлено соответствие между загрязненностью воздуха и проводимостью датчика.
Различные вещества-загрязнители создают примесные уровни в на различном удалении от границы зоны проводимости. Для забрасывания электронов на эти уровни необходимо по-разному нагреть полупроводник. Кроме того, каждое вещество характеризуется определенной зависимостью адсорбции от температуры поверхности.
Поэтому при фиксированной температуре датчика по величине тока через чувствительный элемент, загрязненный тем или иным веществом, можно пытаться судить о том, какое именно вещество адсорбировано на поверхности датчика. Изменяя температуру датчика в некотором интервале, можно попытаться определить химический состав газовой смеси, окружающей датчик. При более низких температурах проводимость датчика будет обусловлена, в основном, примесями, с уровнями, расположенными ближе к границе запрещенной зоны. С ростом температуры свой вклад в суммарную проводимость примесей, уровни которых более удалены от границы зоны проводимости возрастает.
В процессе работы над прибором проводилось изучение характеристик газового датчика RS 286-620. Датчик имеет следующие характеристики:
Максимальное напряжение на нагревателе 5 В
Максимальное напряжение на сенсоре 5 В
Максимальная рассеиваемая нагревателем мощность 0,8 Вт
Максимальная температура нагревателя 300 оС
Сопротивление нагревателя при Т=20 оС 29,5 Ом
Сопротивление нагревателя при Т=300 оС 31,0 Ом
Время прогрева датчика от Т=20 оС до Т=300 оС 60 сек
Подробные характеристики, схема датчика, и зависимости характеристик нагревателя от температуры приведены в Приложении 7.
Физические основы работы прибора.
В изолированном атоме энергетический спектр электронов дискретный. Заполнение энергетических уровней осуществляется по определенным правилам. При этом в s-состоянии может находиться 2 электрона в p-6, в d-10, f-14 и g-18 электронов. При образовании кристалла в результате химического взаимодействия валентные электроны соседних атомов обобществляются, и дискретные уровни расщепляются в энергетические зоны, которые могут быть заполненными или свободными, в зависимости от заполнения соответствующих атомных уровней.
В кристаллах полупроводников можно выделить 3 энергетических зоны: Валентную зону, полностью заполненную электронами. Запрещенную зону – зону, в которой нет энергетических уровней (в чистом полупроводнике ). Электроны находиться в этой зоне не могут. Зону проводимости, свободную от носителей заряда.
Если электрон из валентной зоны возбуждается в зону проводимости, то в валентной зоне остается его вакансия (дырка), при перемещении которой по кристаллу переносится положительный заряд. Таким образом заряд в кристалле может переноситься электронами, находящимися в зоне проводимости и дырками, находящимися в валентной зоне. В идеальном кристалле, в котором отсутствуют дефекты и посторонние примеси (такой полупроводник называется собственным), количество свободных электронов, электронов в зоне проводимости, (n) равно количеству дырок(p), равно некоторой характеристической величине, которая называется собственной концентрацией (ni): n=p=ni.
Чем уже запрещенная зона, тем больше в полупроводнике термически возбужденных свободных носителей заряда. Концентрации свободных электронов и дырок в собственном полупроводнике зависят от температуры по экспоненциальному закону.
n=Nc exp(-(Ec-F)/kT)
p=Nv exp(-(F-Ev)/kT)
np= Nv Nc exp(-(Ec-F)/kT) exp(-(F-Ev)/kT)= Nv Nc exp(-(Eg)/kT)=ni2
Nc =2(2pmn kT/h2) 3/2 Эффективная плотность состояний в зоне проводимости .
Nv =2(2pmp kT/h2) 3/2 Эффективная плотность состояний в валентной зоне .
Где F-энергия уровня Ферми, mn mp эффективные массы электрона и дырки соответственно.
Положение уровня Ферми находят из условия электронейтральности для собственного полупроводника т.е.: n=p. Откуда: F=1/2(Ec+Ev)+kT/2ln(mp/mn), т.е. при низких температурах уровень Ферми лежит около середины запрещенной зоны и с повышением температуры постепенно смещается к зоне проводимости.
 |
Наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней, положение которых зависит от типа примеси или дефекта. Так, например, примесные атомы B (3 группа периодической таблицы элементов) в кристалле Si принимают электроны из валентной зоны, что ведет к образованию дырок и возникновению дырочной проводимости (легированный акцепторной примесью материал приобретает проводимость "Р" типа). Атомы P (5 группа) в кристалле Si отдают электроны в зону проводимости, что приводит к возникновению электронной проводимости (легированный донорной примесью материал приобретает проводимость "N" типа).
При ионизации акцепторного атома, он захватывает электрон и заряжается отрицательно, при этом в валентной зоне кристалла появляется свободная дырка. При низких температурах большая часть акцепторной примеси не ионизована и уровень Ферми расположен между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем. При повышении температуры число электронов, переходящих из валентной зоны на акцепторный уровень возрастает, соответственно возрастает и концентрация дырок(область 1 на правой верхней диаграмме). При этом уровень Ферми приближается к акцепторному уровню (левая диаграмма). При некоторой температуре вся примесь оказывается ионизованной и концентрация дырок (возникших за счет акцепторов), перестает изменяться (область 2 на диаграмме). Это область истощения акцепторной примеси (уровень Ферми в этой области выше акцепторного уровня). При дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда концентрация носителей заряда, возникающих при возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости становится больше концентрации акцепторной примеси и зависимость концентрации дырок от температуры принимает такой же вид, что и в собственном полупроводнике (участок 3), при этом уровень Ферми находится вблизи середины запрещенной зоны.