полупроводниковый датчик газа

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ГАЗА, содержащий газопровод для подачи газа, первый газочувствительный полевой транзистор и первый источник напряжения, подключенный к базе полевого транзистора, и две выходные клеммы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй газочувствительный полевой транзистор, второй источник напряжения, переменный конденсатор и катушку индуктивности, причем база первого транзистора через второй источник напряжения соединена со стоком второго транзистора, база второго транзистора соединена со стоком первого транзистора, исток первого транзистора соединен с истоком второго транзистора, первый вывод катушки индуктивности соединен со стоком первого транзистора и первым источником напряжения, второй вывод катушки индуктивности соединен с первой обкладкой переменного конденсатора, к которой подключена первая выходная клемма, вторая обкладка переменного конденсатора подключена к стоку второго транзистора и источнику напряжения и второй выходной клемме, база второго транзистора соединена с первым источником напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик концентрации газов в различных устройствах автоматизированного управления технологическими процессами.

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.

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.

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.

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.

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.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и точности измерения концентрации газа.

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.

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.

На клеммах стоков транзисторов образуется отрицательное сопротивление, так как полное входное сопротивление этой структуры имеет отрицательное значение активной составляющей и емкостной характер реактивной составляющей.

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.

При воздействии газа на газочувствительный слой емкостного элемента происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления, в результате чего изменяется резонансная частота колебательного контура.

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.

Полупроводниковый датчик газа работает следующим образом.

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.