СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЕНСОРОВ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CALIBRATION OF SEMICONDUCTOR GAS SENSORS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области анализа газов и исследования физико-химических процессов на поверхности полупроводниковых материалов и направлено на улучшение качества приборов газового контроля, выпускаемых отечественными производителями.
Изобретение может быть использовано в области газоаналитического приборостроения в части метрологического его обеспечения - калибровки посредством поверочных газовых смесей в массовом производстве интеллектуальных полупроводниковых газовых сенсоров для контроля примесей метана, пропана, водорода, угарного газа, аммиака в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий.
Известен способ определения работоспособности полупроводникового газового сенсора, состоящий в анализе Фурье-спектра временной зависимости проводимости газочувствительного слоя полупроводникового сенсора при его циклического нагреве и охлаждении в интервале температур адсорбции газа, в атмосфере которого находится сенсор (см. патент RU №2396554, G01N 27/00, 2010 г.).
Недостатком применения данного способа для калибровки газовых сенсоров полупроводникового типа является невысокая точность и селективность измерения, поскольку оптимизация состава и рабочей температуры полупроводникового материала сенсора не позволяет полностью подавить возможность взаимодействия с ним газообразных примесей и дополнительных влияющих факторов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению способом возможной калибровки газового сенсора полупроводникового типа является способ по Патенту RU №2371709, G0127/14, 2009 г.
Способ состоит из определения концентрации водорода в присутствии газообразных примесей и заключается в том, что измеряют электрический сигнал на выходе полупроводникового сенсора с чувствительным слоем из оксида металла при нагревании его до заданной температуры, по значению этого сигнала определяют величину проводимости чувствительного слоя полупроводникового сенсора, запоминают, сопоставляют ее с предварительно полученным калибровочным значением и определяют концентрацию водорода. При этом сигнал на выходе полупроводникового сенсора измеряют непрерывно, циклически нагревая его до температуры Т1 и охлаждая его до температуры Т2. Определяют производную проводимости чувствительного слоя сенсора по времени в течение интервала времени между окончанием нагрева до температуры Т1 и окончанием охлаждения до температуры Т2. Определяют величину проводимости, являющуюся функцией концентрации газа. Затем определяют наличие и количество локальных минимумов зависимости проводимости чувствительного слоя от времени в интервале между окончанием нагрева и окончанием охлаждения, при этом, если таких локальных минимумов было два, электрический сигнал на выходе полупроводникового сенсора измеряют в момент времени между первым и последним локальным минимумом, в котором абсолютная величина производной проводимости по времени достигает минимума, если локальный минимум был один, то электрический сигнал на выходе полупроводникового сенсора измеряют в момент времени между окончанием нагрева и последним локальным минимумом, в котором абсолютная величина производной проводимости по времени достигает минимума, и по значению измеренного электрического сигнала судят о величине проводимости чувствительного слоя полупроводникового сенсора, по которой определяют концентрацию водорода.
Недостатком этого способа является отсутствие практической, применимой в массовом производстве интеллектуальных полупроводниковых сенсоров методики калибровки сенсоров, требующей большей функциональности и возможностей структурированной базы данных результатов калибровки.
Задачей изобретения является практическая, применимая в промышленном массовом производстве калибровка газовых сенсоров полупроводникового типа для контроля концентрации газовых компонент СН4, С3Н8, Н2, СО, NH3 в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий.
Поставленная задача осуществляется следующим образом.
В предлагаемом способе в соответствии с ГОСТ 13320-81 ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ПРОМЫШЛЕННЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ калибровка полупроводникового сенсора реализуется с помощью программно-аппаратного измерительного комплекса и состоит в том, что циклически заданное количество раз (K раз) нагревают чувствительный элемент сенсора в чистом воздухе (ПГС-1) до температуры Т1 и охлаждают до температуры Т2, далее в течение следующих К циклов нагрева и охлаждения подают поверочную газовую смесь ПГС-2 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих K циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-3 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих K циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-N в область чувствительного элемента, строят семейство (на фиг.2, 4) из N=4 временных зависимостей проводимости газочувствительного слоя σ(t) для каждой газовой смеси и для фиксированного в цикле момента времени ti определяют градуировочную характеристику
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mi>k</mi></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>T</mi><mn>1</mn><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>T</mi><mn>2</mn><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msup><mrow><mn>12</mn></mrow><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>C</mi><msup><mi>i</mi><mi>k</mi></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
k
где k=1,2,3,…,N; i=1-СН4, i=2-С3Н8, i=3-H2, i=4CO, i=5-NH3; ti - момент времени, отсчитываемый от начала нагрева сенсора, в который происходит N измерений величины проводимости в 6, 12, 18,…6×N цикле нагрева и охлаждения сенсора; T1i - температура нагрева чувствительного элемента в среде i-го газа, T2i - температура охлаждения чувствительного элемента сенсора в среде i-го газа, Δ12 - время охлаждения газочувствительного элемента сенсора от Т1 до Т2; Ci - концентрация i-го газового компонента в поверочной газовой смеси ПГС-k, подаваемой на сенсор.
Функции σ(t) - это непрерывные функции с характерными для каждого газа первыми и вторыми производными dσ/dt и dσ/dt(dσ/dt).
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>i</mi><mi>k</mi></msubsup></mrow>
Градуировочные характеристики для каждого i-го газа определяют посредством алгоритма временного сечения - определения в фиксированный момент времени ti N значений
по семейству из N реализации σ(t) нагрева и охлаждения чувствительного элемента сенсора с длительностью цикла Δtc, получаемых обработкой электрического сигнала от интеллектуального газового сенсора, осуществляемой пакетом программ SEMSENSOR и MATLABSEM в интегрированных операционных системах Silicon Laboratories IDE и MATLAB 7.01 персонального компьютера с предварительным вводом данных калибровки в меню КАЛИБРОВКА/ВВОД ДАННЫХ и последующей ЗАПИСЬЮ ДАННЫХ калибровки на экране монитора, выбором временного сечения, вычислением и сглаживанием кусочно-аппроксимируемой градуировочной характеристики (1), сохранением семейства из N реализаций и градуировочной характеристики в базе данных персонального компьютера.
Полученную таким образом градуировочную характеристику аппроксимируют и загружают в процессор интеллектуального полупроводникового сенсора, который устанавливается в газоанализаторе, где в эксплутационном режиме измерения опрашивается центральным процессором газоанализатора и на его дисплее индицируются показания измеренной концентрации газового компонента. Изобретение позволяет проводить калибровку полупроводниковых интеллектуальных сенсоров с повышенной точностью и достоверностью в условиях их массового производства.
Такое построение способа калибровки полупроводниковых сенсоров газа обеспечивает решение поставленной задачи - качественная калибровка полупроводниковых сенсоров в условиях серийного производства и дополнительно позволяет определять физико-химические свойства полупроводниковых материалов с каталитическими добавками с целью оптимизации состава и технологии изготовления сенсора.
На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 показаны структурная схема и устройство для осуществления способа калибровки полупроводниковых сенсоров.
На фиг.7 показано семейство временных реализаций σ(t) - зависимости проводимости газочувствительного слоя полупроводникового сенсора для разных концентраций метана при его подаче в область сенсора от баллонов высокого давления с поверочными газовыми смесями ПГС-1, ПГС-2, ПГС-3, ПГС-4, ПГС-5 через подводящую трубку, одетую на штуцер 5-ти ячеечной камеры, поверх которой закреплены 5 интеллектуальных газовых модулей.
На фиг.8 изображены градуировочная характеристика и обратная сглаженная градуировочная характеристика для метана.
На фиг.9 показано семейство из 5 временных реализаций σ(t) - зависимости проводимости газочувствительного слоя полупроводникового сенсора для разных концентраций водорода.
На фиг 10 изображены градуировочная характеристика и обратная сглаженная градуировочная характеристика для водорода - поверочные газовые смеси ПГС-1, ПГС-6, ПГС-7, ПГС-8, ПГС-9.
На фиг.11 изображено "окно" операционной системы Silicon Laboratories IDE с пакетом программ Semsensor для настройки режима прогрева и измерения концентраций СН4 и С3Н8, трансляции и загрузки градуировочной характеристики в процессор C8051F410 интеллектуального газового полупрводникового сенсора.
На фиг.12 изображено "окно" операционной системы MATLAB 7.01 с пакетом программ Matlabsem для калибровки полупроводниковых сенсоров.
На фиг.13, 14 показана электрическая и монтажная схема печатной платы интеллектуального полупроводникового сенсора.
Устройство для осуществления способа калибровки полупроводниковых сенсоров газа в частности СГ21ХХ-А содержит газовый электронный модуль, состоящий из первичного газочувствительного преобразователя - сенсора (в частности, сенсор СГ21ХХ-А в типовом корпусе ТО-2 с металлической сеткой в крышке) с четырьмя выводами-электродами, вставляемыми в четыре отверстия разъема типа PLSS, впаянного в печатную плату электронного модуля. Режим нагрева газочувствительного слоя сенсора программируется в процессе калибровки и осуществляется процессором C8051F410 подачей от внутреннего цифроаналогового преобразователя электрического сигнала IDACO - напряжения U(t) заданной формы на положительный вход операционного усилителя (ОУ) AD8542AR, и выходное напряжение ОУ далее подается на металлокерамический нагреватель чувствительного элемента, нагревая его за счет подвода мощности от 50 до 500 градусов Цельсия с измерением установившейся температуры нагревателя T1(t1) по напряжению на нагревателе Uн(t) и выходному сигналу AIN0 с ОУ AD623AR (DA5) и тока нагревателя Iн(t) по выходному сигналу AIN1 с ОУ AD623AR (DA1:1) по формулам
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mi>н</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>R</mi><mn>20</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>и</mi><mi>з</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>R</mi><mi>н</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>R</mi><mn>20</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>T</mi><mn>20</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mi>R</mi><mi>н</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>I</mi><mi>н</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext>              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
где 20 - комнатная температура, α - ТКС - температурный коэффициент сопротивления, R20 - сопротивление нагревателя при комнатной температуре в чистом воздухе при Uн=0, Iн=0, t1 - момент временного сечения по 5 калибровочным реализациям σ(t);
с измерением σ(ti) по электрическому сигналу напряжения AIN2 по формулам
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>σ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>R</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>R</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>U</mi><mi>s</mi><mo>/</mo><mi>I</mi><mi>s</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>U</mi><mi>s</mi><mo>=</mo><mo>+</mo><mn>3.3</mn><mi>B</mi><mo>−</mo><mi>A</mi><mi>I</mi><mi>N</mi><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mi>I</mi><mi>s</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>I</mi><mi>N</mi><mn>2</mn><mo>/</mo><mi>R</mi><mn>16</mn><mtext>                       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
Rs, Us, Is - сопротивление, напряжение, ток газочувствительного слоя
Для обработки аналогового сигнала AIN2 от электрического вторичного преобразователя концентрации газового компонента применен микропроцессор C8051F410, обеспечивающий вторичное преобразование проводимости газочувствительного слоя в цифровой сигнал, передаваемый посредством интерфейса сопряжения на основе протокола SPI в центральный процессор AT91SAM7X128 газоанализатора (в который устанавливается интеллектуальный газовый сенсор) и нормированный выходной аналоговый электрический сигнал U(t) от 0 до 3 В, пропорциональный величине проводимости газочувствительного слоя, который анализируют программно-аппаратным комплексом на базе персонального компьютера с применением пакета программ SEMV1N и MATLABV_2, реализуемых в интегрированных операционных системах Silicon Laboratories IDE и MATLAB 7.01, и при подаче поверочных газовых смесей от баллонов при открытом вентиле через регулируемый игольчатый натекатель и далее по силиконовой трубке длиной 50 см и внутренним диаметром 4 мм через насадочный колпачок в отверстие с металлической сеткой крышки корпуса полупроводникового сенсора СГ21ХХ осуществляют его калибровку, в результате которой в память процессора интеллектуального газового сенсора записывают градуировочную характеристику по формуле (1) - зависимость проводимости ГС от концентрации газового компонента в воздушной среде.
Таким образом, анализ уровня техники позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ калибровки обладает новизной, изобретательным уровнем и имеет ряд преимуществ по сравнению с прототипом.