RU2053504C1

RU2053504C1 - Semiconductor gas detector

Info

Publication number: RU2053504C1
Application number: RU92004097A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Original assignee: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: checking of gas concentration. SUBSTANCE: gas detector has gas line for feeding gases, two gas-sensitive transistors, two voltage supplies, variable capacitor, and inductance coil. Base of the first transistor is connected with drain of the second transistor through the second voltage source. Source of the first transistor is connected with source of the second transistor. The first output of inductance coil is connected with drain of the first transistor and first voltage source. The other output of inductance coil is connected with the first plate of the first variable capacitor, to which plate the first output terminal is connected. The second plate of variable capacitor is connected to gain of the second transistor and to voltage source in the second output terminal. EFFECT: improved quality of testing. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик концентрации газов в различных устройствах автоматизированного управления технологическими процессами. The invention relates to instrumentation and can be used as a sensor of gas concentration in various devices for automated control of technological processes.

Известны устройства для измерения концентрации газов, которые состоят из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 500^оС [1] На керамической основе находятся два электрода, между которыми нанесен полупроводниковый слой оксида металла. При прохождении газа над этим активированным слоем металла его сопротивление изменяется. При помощи мостовой схемы изменение сопротивления преобразуется в изменение напряжения.Known devices for measuring the concentration of gases, which consist of a ceramic base capable of withstanding heating up to 500 ^° C [1] On a ceramic base there are two electrodes between which a semiconductor layer of metal oxide is applied. As the gas passes over this activated metal layer, its resistance changes. Using a bridge circuit, a change in resistance is converted to a change in voltage.

Недостатками таких устройств является низкая чувствительность, особенно в области температур 100-200^оС, так как при этих температурах резко снижается скорость химических реакций, происходящих на поверхности газочувствительного устройства.The disadvantages of such devices is the low sensitivity, especially in the temperature range ^of 100-200 C, since at these temperatures dramatically reduces the rate of chemical reactions occurring on the surface of gas sensitive device.

Наиболее близким к изобретению является емкостной элемент в виде газочувствительного полевого транзистора с изолированным затвором [2] Его конструкция представляет кремниевую полупроводниковую подложку с дырочным типом проводимости, на которой методом диффузии созданы две сильно легированные области с электронным типом проводимости, на которые затем напылены алюминиевые электроды. Одна область служит истоком, а вторая стоком. Между областями истока и стока находится канал, на поверхности канала создан изолирующий слой двуокиси кремния. На слой двуокиси кремния наносится газочувствительный слой. Затем на поверхности газочувствительного слоя создается либо сплошной электрод затвора на основе золота, либо в виде гребенки из алюминия. Основой газочувствительного слоя являются аминопропиленовые оксиланы с различными добавками. Емкостной элемент работает следующим образом. При воздействии газа на газочувствительный слой полевого транзистора происходит изменение емкости базовой области за счет изменения количества носителей заряда, что изменяет напряжение на затворе, приводящее к изменению тока стока. Таким образом, изменение величины емкости базовой области полевого транзистора приводит к изменению тока стока, пропорционально измеряемой концентрации газа. Полевой транзистор включается по схеме с общим истоком. Closest to the invention is a capacitive element in the form of a gas-sensitive field-effect transistor with an insulated gate [2] Its design is a silicon semiconductor substrate with a hole type of conductivity, on which two highly doped regions with an electronic type of conductivity are created by diffusion, on which aluminum electrodes are then sprayed. One area serves as a source, and the second as a drain. A channel is located between the source and drain areas; an insulating layer of silicon dioxide is created on the channel surface. A gas sensitive layer is applied to the silicon dioxide layer. Then, either a solid gold-based gate electrode or in the form of an aluminum comb is created on the surface of the gas-sensitive layer. The basis of the gas-sensitive layer are aminopropylene oxylans with various additives. Capacitive element works as follows. Under the influence of gas on the gas-sensitive layer of the field-effect transistor, the capacitance of the base region changes due to a change in the number of charge carriers, which changes the gate voltage, which leads to a change in the drain current. Thus, a change in the capacitance value of the base region of the field effect transistor leads to a change in the drain current, in proportion to the measured gas concentration. The field effect transistor is turned on according to a common source circuit.

Недостатками такого устройства являются низкая чувствительность и точность измерения концентрации газов, обусловленная тем, что изменение концентрации газов связано с накоплением зарядов на поверхности раздела полупроводник подзатворный диэлектрик. Это накопление зарядов приводит к изменению высоты потенциального барьера полевого транзистора, а это в незначительной степени изменяет напряжение на затворе. Небольшое изменение напряжения на затворе вызывает незначительное изменение тока. The disadvantages of this device are the low sensitivity and accuracy of measuring the concentration of gases, due to the fact that the change in the concentration of gases is associated with the accumulation of charges on the interface of a semiconductor gate insulator. This accumulation of charges leads to a change in the height of the potential barrier of the field effect transistor, and this slightly changes the voltage at the gate. A small change in gate voltage causes a slight change in current.

Использование предлагаемого устройства для измерения концентрации газов по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде последовательного соединения двух газочувствительных полевых транзисторов, в котором изменение емкости под воздействием газа обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора напряжения источников питания. The use of the proposed device for measuring gas concentration in comparison with the prototype significantly increases the sensitivity and accuracy of determining the informative parameter due to the capacitive element of the oscillating circuit in the form of a series connection of two gas-sensitive field-effect transistors, in which the change in capacitance under the influence of gas provides an effective tuning of the resonant frequency, as well as due to the possibility of linearizing the conversion function by selecting the source voltage Ikov power.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и точности измерения концентрации газа. The technical result of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measuring gas concentration.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом датчике газа преобразованием емкости в ток заменяется преобразование емкости в частоту, для чего полевые транзисторы выступают в качестве управляемых газом емкостных элементов колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на клеммах стоков полевых транзисторов. Индуктивным элементом контура является катушка индуктивности. Таким образом, под действием газа в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости базовых областей полевых транзисторов преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения концентрации газа. The technical result is achieved in that in a semiconductor gas sensor, the conversion of capacitance to current replaces the conversion of capacitance to frequency, for which field-effect transistors act as gas-controlled capacitive elements of the oscillatory circuit, the energy loss of which is compensated by the negative resistance that occurs at the terminals of the drains of field-effect transistors . The inductive element of the circuit is an inductor. Thus, under the action of gas in the proposed device, a small change in the capacitance of the base areas of field-effect transistors is converted to a significant change in the resonant frequency of the oscillatory circuit, which allows to increase the sensitivity and accuracy of determining the gas concentration.

Отличительными признаками данного изобретения являются следующие признаки. Последовательное соединение газочувствительных полевых транзисторов с разным типом проводимости каналов осуществляется следующим образом: база первого транзистора соединена со стоком второго транзистора, база второго транзистора соединена со стоком первого транзистора, истоки первого и второго транзисторов соединены между собой. При таком включении в цепи исток сток транзисторов образуется положительная обратная связь. Distinctive features of the present invention are the following features. The serial connection of gas-sensitive field effect transistors with different types of channel conductivity is as follows: the base of the first transistor is connected to the drain of the second transistor, the base of the second transistor is connected to the drain of the first transistor, the sources of the first and second transistors are interconnected. With this inclusion in the source circuit of the drain of transistors, a positive feedback is formed.

На клеммах стоков транзисторов образуется отрицательное сопротивление, так как полное входное сопротивление этой структуры имеет отрицательное значение активной составляющей и емкостной характер реактивной составляющей. Negative resistance forms at the terminals of the transistor drains, since the total input resistance of this structure has a negative value of the active component and the capacitive nature of the reactive component.

Такая транзисторная структура является емкостным элементом колебательного контура, образованного параллельным включением последовательной цепочки из емкости и индуктивности. Потери в колебательном контуре компенсируются за счет отрицательного сопротивления. Such a transistor structure is a capacitive element of an oscillatory circuit formed by the parallel inclusion of a series circuit of capacitance and inductance. Losses in the oscillatory circuit are compensated by negative resistance.

При воздействии газа на газочувствительный слой емкостного элемента происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления, в результате чего изменяется резонансная частота колебательного контура. When the gas acts on the gas-sensitive layer of the capacitive element, the capacitive component of the impedance changes, as a result of which the resonant frequency of the oscillatory circuit changes.

Полупроводниковый датчик газа, представленный на чертеже, содержит источник 7 управляющего постоянного напряжения, который включен параллельно клеммам сток-сток полевых транзисторов 2 и 3, последовательной цепочке, состоящей из катушки 5 индуктивности и конденсатора 6, причем база полевого транзистора 3 соединена со стоком полевого транзистора 2, а база полевого транзистора 2 соединена со стоком полевого транзистора 3, истоки транзисторов 2 и 3 соединены между собой. Параллельно базе полевого транзистора 2 и стоку полевого транзистора 3 включен источник 1 управляющего постоянного напряжения. На газочувствительные слои полевых транзисторов 2 и 3 воздействуют потоки газа, поступающие из источника 4. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 6 и общей шиной. The semiconductor gas sensor shown in the drawing contains a control DC voltage source 7, which is connected in parallel with the drain-drain terminals of field-effect transistors 2 and 3, a series circuit consisting of an inductor 5 and a capacitor 6, and the base of the field-effect transistor 3 connected to the drain of the field-effect transistor 2, and the base of the field-effect transistor 2 is connected to the drain of the field-effect transistor 3, the sources of transistors 2 and 3 are interconnected. Parallel to the base of the field-effect transistor 2 and the drain of the field-effect transistor 3, a control voltage source 1 is connected. Gas-sensitive layers of field effect transistors 2 and 3 are affected by gas flows coming from source 4. The output of the device is formed by the first lining of the capacitor 6 and a common bus.

Полупроводниковый датчик газа работает следующим образом. The semiconductor gas sensor operates as follows.

В начальный момент времени газ не подается на газочувствительные слои полевых транзисторов 2 и 3. Повышением напряжения управляющих источников 1 и 7 до величины, когда полевые транзисторы 2 и 3 станут работать в режиме насыщения, на клеммах сток-сток этих транзисторов возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в колебательном контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на клеммах сток-сток полевых транзисторов 2 и 3 и индуктивным сопротивлением катушки 5 индуктивности. Конденсатор 6 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту и предохраняет источник 7 управляющего напряжения от короткого замыкания через катушку 5 индуктивности, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче газа из источника 4 на полевые транзисторы 2 и 3 происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления на клеммах сток-сток полевых транзисторов 2 и 3, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура. At the initial time, gas is not supplied to the gas-sensitive layers of field-effect transistors 2 and 3. By increasing the voltage of control sources 1 and 7 to the value when field-effect transistors 2 and 3 begin to work in saturation mode, a negative resistance arises at the drain-drain terminals of these transistors, which leads to the occurrence of electrical oscillations in the oscillatory circuit, formed by the parallel inclusion of impedance with a capacitive nature at the terminals of the drain-drain field-effect transistors 2 and 3 and inductive resistance 5 HAND coil inductance. The capacitor 6 serves to adjust the oscillatory circuit to the desired resonant frequency and protects the control voltage source 7 from a short circuit through the inductor 5, and also serves as an alternating current load resistance, from which the output signal is taken. With the subsequent supply of gas from source 4 to field-effect transistors 2 and 3, the capacitance component of the impedance changes at the drain-drain terminals of field-effect transistors 2 and 3, which leads to a change in the resonant frequency of the oscillating circuit.

Claims

SEMICONDUCTOR GAS SENSOR containing a gas pipeline for supplying gas, a first gas-sensitive field-effect transistor and a first voltage source connected to the base of the field-effect transistor, and two output terminals, characterized in that it further comprises a second gas-sensitive field-effect transistor, a second voltage source, an alternating capacitor and a coil inductance, and the base of the first transistor through a second voltage source connected to the drain of the second transistor, the base of the second transistor connected to the drain of the first of the first transistor, the source of the first transistor is connected to the source of the second transistor, the first output of the inductor is connected to the drain of the first transistor and the first voltage source, the second output of the inductor is connected to the first plate of the variable capacitor to which the first output terminal is connected, the second plate of the variable capacitor is connected to the drain of the second transistor and the voltage source and the second output terminal, the base of the second transistor is connected to the first voltage source.