Устройство для измерения электрических характеристик газоаналитических мультисенсорных чипов

Настоящая полезная модель относится к устройствам для измерения активных сопротивлений линеек хеморезисторов, выполненных на одном кристалле в виде чипа и предназначенных для селективного анализа одно- и многокомпонентных газовых смесей.
В настоящее время необходимыми элементами ряда систем управления, например, используемых в пищевых производствах, систем мониторинга и управления составом атмосферы, являются газоаналитические устройства, обеспечивающие информацию о составе газовой среды и концентрации ее компонентов. В качестве первичных преобразователей для таких устройств часто применяют дискретные газовые сенсоры (или датчики), которые имеют высокое быстродействие, низкое энергопотребление и являются достаточно простыми для пользователей. Причем газовые сенсоры хеморезистивного (или кондуктометрического) типа наряду с электрохимическими являются наиболее дешевыми и простыми в эксплуатации (Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / И.А. Мясников, В.Я. Сухарев, Л.Ю. Куприянов, С.А. Завьялов. - М.: Наука, 1991). Эти сенсоры с 70-х гг. XX в. широко применяются для детектирования примесей в окружающей атмосфере, в первую очередь, горючих газов (патент США US 3695848). Однако дискретные хеморезисторы имеют низкую селективность, что не позволяет использовать их сигнал для различения газов, особенно сходной природы (Korotchenkov G., Sysoev V.V. Conductometric metal oxide gas sensors: principles of operation and technological approaches to fabrication / Глава в кн.: Chemical sensors: comprehensive sensor technologies. Vol. 4. Solid state devices // New York: Momentum Press, LLC-2011. - 134 с. C. 53-186.). Тем не менее, необходимую селективность достигают путем объединения сенсоров в линейки и обработкой полученного мультисенсорного (векторного) сигнала методами распознавания образов. С целью миниатюризации, снижения энергопотребления и себестоимости линейки сенсоров располагают, как правило, на единой подложке и изготавливают в рамках микроэлектронного производства в виде чипов (Сысоев В.В., Мусатов В.Ю. Газоаналитические приборы «электронный нос» // Саратов: Сарат. гос. тех. ун-т. - 2011. - 100 с.). При этом основным измерительным сигналом является набор сопротивлений сенсоров, входящих в линейку. Поэтому для функционирования мультисенсорных линеек требуется устройство для считывания, обработки и визуализации их многокомпонентных векторных сигналов, причем не только на стадии эксплуатации, но и на этапе первичного тестирования их электрических характеристик и калибровки сигнала к газам.
Для решения этой задачи в Патенте РФ на полезную модель №70992 предложено устройство, включающее в себя блок питания, газочувствительный датчик (сенсорный модуль), блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллер (вычислительный модуль).
Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет измерять сигнал только одного сенсора, характеристики которого варьируют путем циклического изменения рабочей температуры. Измерение сопротивления электрических характеристик мультисенсорной линейки не предусмотрено.
В Патенте РФ на полезную модель №152059 предложено устройство экспресс-контроля состава газовой среды, в котором развит блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и вычислительный модуль для считывания хеморезистивного сигнала линейки дискретных полупроводниковых сенсоров. Вычислительный модуль выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы, реализующей алгоритмы искусственной нейронной сети, к которому подключена энергонезависимая флэш-память и устройство отображения информации со светодиодным индикатором и переключателями, задающими режим работы.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности работы с мультисенсорной линейкой, выполненной в виде чипа.
Наиболее близким к настоящей разработке является Патент РФ на полезную модель №148987, в котором предложено устройство для определения состава газовой среды, которое включает блок питания, мультисенсорный модуль, блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и устройством отображения информации, а также вычислительный модуль, который выполнен на основе мультиклеточного процессора с подключением флеш-памяти, блока переключателей, задающих режим работы устройства и персонального компьютера через интерфейс типа USB.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности работы с мультисенсорной линейкой, выполненной в виде чипа, а также относительно низкое разрешение (разрядность) аналого-цифрового преобразователя (АЦП), составляющее 8 бит.
Таким образом, имеется техническая задача создания устройства, способного измерять многокомпонентные хеморезистивные сигналы газоаналитических мультисенсорных чипов (ГМЧ), как на стадии эксплуатации, так и на этапе первичного тестирования их электрических характеристик и калибровки сигнала к газам.
Поставленная задача решается тем, что в полезной модели предложено устройство, предназначенное для измерения электрических характеристик газоаналитических мультисенсорных чипов, содержащий блок с аналого-цифровым преобразователем, отличающееся тем, что блок с аналого-цифровым преобразователем реализован внутри программно-управляемого модуля ввода/вывода, кроме того, содержит предусилитель тока, аналоговый выход которого связан с программно-управляемым модулем ввода/вывода, а цифровой выход которого выполнен с возможностью подключения к ЭВМ, аналоговый мультиплексор, составленный из набора электромеханических реле, содержащий коаксиальные разъемы типа BNC для подключения к предусилителю тока и программно-управляемому модулю ввода/вывода, много-штыревой разъем для электрического соединения с газоаналитическим мультисенсорным чипом, и связанный с программно-управляемым модулем ввода/вывода посредством цифровой шины управления; все блоки, составляющие устройство, размещены внутри экранирующего бокса.
Аналоговый мультиплексор имеет два канала, электрически подключенные к выходным разъемам типа BNC, один из которых служит для коммутации четных электродов, а второй - для коммутации нечетных электродов газоаналитического мультисенсорного чипа; нормально незамкнутые контакты аналогового мультиплексора электрически подключены к каждому электроду газоаналитического мультисенсорного чипа.
Предусилитель тока выполнен с возможностью измерения сопротивлений величиной до 1 ТОм и содержит источник автономного питания на основе свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Программно-управляемый модуль ввода/вывода содержит аналого-цифровой преобразователь разрядностью 16 бит, цифро-аналоговый преобразователь разрядностью 16 бит и порт вида USB 2.0 тип В.
Все измерительные линии между элементами устройства выполнены с использованием коаксиальных кабелей с общим экраном и разъемами типа BNC.
Техническим результатом является возможность производить электрические измерения ГМЧ с помощью данного устройства в диапазоне сопротивлений хеморезистивных элементов от 100 Ом до 1 ТОм в режиме реального времени, записывать и визуализировать полученные данные с помощью ЭВМ.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - принципиальная схема подключения блоков устройства для измерения электрических характеристик ГМЧ; обозначения: 1 - программно-управляемый модуль ввода/вывода; 2 - экранирующий бокс; 3 - аналоговый мультиплексор; 4 - ГМЧ; 5 - предусилитель тока; 6 - ЭВМ (персональный компьютер); фиг. 2 - принципиальная схема измерения хеморезистивного элемента ГМЧ; обозначения: 1 - программно-управляемый модуль ввода/вывода; 4 - хеморезистивный элемент ГМЧ; 5 - предусилитель тока; фиг. 3 - принципиальная схема аналогового мультиплексора. Обозначения: С1 - цифровая шина управления мультиплексором, подключаемая к программно-управляемому модулю ввода/вывода; RM1 - RM5 - 8-разрядные модули реле (показаны только нормально разомкнутые контакты); E1-Е40 - выводы для подключения измерительных электродов ГМЧ; S1 и S2 - каналы мультиплексора, к которым подключаются нечетные и четные измерительные электроды хеморезистивных элементов ГМЧ, соответственно.
Принцип работы данного устройства основан на измерении силы тока на участке цепи с хеморезистивным элементом ГМЧ при заданной разности потенциалов. Электрический ток на участке цепи с хеморезистивным элементом ГМЧ преобразуют с помощью предусилителя тока в напряжение и усиливают с заданным коэффициентом усиления. ГМЧ представляет собой линейку хеморезистивных элементов, выполненных на одном кристалле, сопротивление которых определяется между парами измерительных электродов, количеством не более 40.
Устройство содержит следующие основные блоки: программно-управляемый модуль ввода/вывода (фиг. 1, поз. 1), экранирующий бокс (фиг. 1, поз. 2), двух-канальный аналоговый мультиплексор (фиг. 1, поз. 3), ГМЧ (фиг. 1, поз. 4) и предусилитель тока (фиг. 1, поз. 5). Блоки, составляющие устройство, размещены в экранирующем боксе размерами 500×400×300 мм (Д×В×Ш) со стенкой толщиной 2 мм, изготовленный из листовой нержавеющей стали. Это выполнено для уменьшения влияния внешних электромагнитных помех при измерении характеристик высокоомных полупроводниковых элементов ГМЧ. Внутри экранирующего бокса блоки жестко закреплены с помощью стальных уголков размерами 60×60×40×2 мм (Д×В×Ш×Т), при помощи болтов М4 длиной 5 мм и гаек с резьбой М4. Корпус экранирующего бокса электрически соединен с выводами заземления корпусов блоков, составляющих устройство. Для коммуникации с ЭВМ фиг. 1, поз. 6) экранирующий бокс оборудован разъемами «USB 2.0» тип В (для обмена данными с программно-управляемым модулем ввода/вывода (фиг. 1, поз. 1)) и разъемом D-Sub типа DE9P (для обмена данными с предусилителем тока (фиг. 1, поз. 5) по протоколу «RS-232»).
Внутри бокса блоки соединены следующим образом: аналоговый выход «А. Вых» программно-управляемого модуля ввода/вывода (фиг. 1, поз. 1) подключен с помощью коаксиального экранированного кабеля, с разъемами типа BNC (коаксиальный радиочастотный разъем с байонетной фиксацией), к разъему «S1» аналогового мультиплексора, соответствующему нечетному каналу (фиг. 1), также цифровая шина «ЦШ» (фиг. 1) программно-управляемого модуля ввода/вывода соединена с аналоговым мультиплексором посредством многожильного плоского кабеля. Каналы аналогового мультиплексора «S1, S2» коммутируют нечетные и четные измерительные электроды ГМЧ, соответственно (фиг. 3). Канал «S2» (фиг. 3) подключен также с помощью коаксиального кабеля с разъемами типа BNC к разъему «Вход» предусилителя тока (фиг. 1, поз. 5). Нормально разомкнутые (коммутируемые) контакты аналогового мультиплексора (фиг. 3, поз. E1-Е40) выведены на много-штыревой разъем, к которому подключен ГМЧ (фиг. 1, поз. 4). Разъем «Выход» предусилителя тока подключен к BNC-разъему аналогового входа «А. Вх.» программно-управляемого модуля ввода/вывода также с помощью коаксиального кабеля (фиг. 1, поз. 1).
Измерение сопротивления хеморезистивных элементов ГМЧ с помощью устройства происходит в следующем порядке. Аналоговый мультиплексор по цифровым сигналам модуля ввода/вывода (фиг. 1 поз. 1) коммутирует заданные измерительные электроды ГМЧ к каналам S1 и S2. Аналоговый выход модуля ввода/вывода (фиг. 1, поз. «А. Вых.») формирует измерительную разность потенциалов, в результате чего в цепи возникает электрический ток, протекающий по следующему пути: центральный контакт аналогового выхода программно-управляемого модуля ввода/вывода, нечетный канал аналогового мультиплексора «S1» (фиг. 2), один из нечетных измерительных электродов ГМЧ (подключенный в данный момент), сенсорный слой между парой электродов хеморезистивного элемента ГМЧ (фиг. 2, поз. 4), четный электрод ГМЧ, четный канал аналогового мультиплексора «S2», центральный контакт BNC-входа предусилителя тока, прецизионный шунтирующий резистор предусилителя тока, экран входного разъема BNC. Затем через экранирующие оплетки коаксиальных кабелей ток возвращается в экран разъема BNC аналогового выхода модуля ввода/вывода (фиг. 2, поз. «А. Вых.»). Предусилитель тока преобразует протекающий по цепи ток в напряжение, пропорциональное коэффициенту усиления, которое выводится на разъеме «Выход» (фиг. 2). Предусилитель тока имеет коэффициенты усиления в диапазоне от 1 мА/В до 1 пА/В, что позволяет измерять сопротивления до 1 ТОм. Напряжение, соответствующее току в цепи, поступает на вход «А. Вх.» программно-управляемого модуля ввода/вывода, который преобразует его в цифровой сигнал и передает в ЭВМ (фиг. 2 поз. 6) через интерфейс USB 2.0.
Измерение сопротивлений хеморезистивных элементов ГМЧ проводят поочередно путем коммутации измерительных электродов ГМЧ с помощью мультиплексора. Оператор может выбирать хеморезистивные элементы ГМЧ, которые необходимо опрашивать и отображать на дисплее ЭВМ.
Основной режим работы устройства - измерение изменения сопротивления хеморезистивных элементов ГМЧ в течение времени. При этом на программно-управляемом модуле ввода/вывода задают измерительную разность потенциалов аналогового выхода в диапазоне от -10 В до +10 В с разрешением 16 бит, частоту опроса хеморезистивных элементов ГМЧ, количество точек для усреднения, скорость переключения мультиплексора, время аналого-цифрового преобразования. Так как хеморезистивные элементы ГМЧ имеют различное сопротивление, для измерения тока каждого элемента программное обеспечение ЭВМ автоматически подбирает коэффициент усиления предусилителя тока так, чтобы входное значение тока для предусилителя находилось в середине динамического диапазона. Поэтому в процессе опроса хеморезистивных элементов ГМЧ мультиплексором одновременно с переключением реле изменяют в автоматическом режиме с помощью ЭВМ коэффициент усиления, соответствующий данному хеморезистивному элементу. Команды переключения коэффициента усиления предусилителя тока передают с помощью интерфейса RS-232 (фиг. 1). Также имеется функция автоматической корректировки коэффициента усиления элемента, если его сопротивление в процессе работы выходит за динамический диапазон предусилителя тока при текущем коэффициенте. В этом режиме при обнаружении программой ЭВМ того, что значение тока для текущего элемента выходит за пределы динамического диапазона, коэффициент усиления автоматически корректируется в зависимости от значения тока.
Другим режимом работы устройства является измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) хеморезистивных элементов ГМЧ. В этом режиме на каждый хеморезистивный элемент ГМЧ подают измерительное напряжение в заданном диапазоне, например, от -10 В до +10 В с разрешением 16 бит, и считывают значение тока. Как и в основном режиме, для каждого хеморезистивного элемента ГМЧ определяют коэффициент усиления для работы предусилителя тока. Измерение ВАХ каждого хеморезистивного элемента ГМЧ можно производить многократно.
Таким образом, имеется возможность измерения сопротивлений хеморезистивных элементов ГМЧ при заданном фиксированном значении напряжения и построения ВАХ при вариации измерительного напряжения.
Коммутацию каждого из хеморезистивных элементов ГМЧ при последовательном измерении их электрических характеристик осуществляют с помощью аналогового мультиплексора. Аналоговый мультиплексор изготовлен на основе 8-разрядных модулей электромеханических реле. Выбор таких реле в качестве основы обусловлен очень малыми токами утечки, линейными характеристиками замкнутого контакта, а также широким диапазоном величин коммутируемых токов и напряжений. Электропитание модуля осуществляют напряжением 5 В.
В схеме одного 8-разрядного релейного модуля можно выделить три части. Первая часть относится к блоку управления коммутацией модуля. Она включает 8 штыревых контактов для подключения цифровых выходов с открытым коллектором, контакт «Земля» для подключения цифровой линии нулевого потенциала, контакт «Питание» для подключения положительного потенциала электропитания. А также в данную часть схемы можно отнести излучающие диоды восьми оптопар и индикаторные светодиоды. Контакты управления, на которые подаются сигналы ТТЛ - уровня, подсоединены к катодам излучающих диодов соответствующих оптопар, а контакт «Питание» подсоединен через индикаторные светодиоды к анодам излучающих диодов оптопар. Таким образом, индикаторные светодиоды позволяют оценивать состояние излучающих диодов оптопар. Модуль снабжен транзисторными ключами для коммутации обмоток реле, защитными диодами, защищающими интегральные схемы от воздействия электродвижущей силы (эдс) самоиндукции, возникающей в электромагнитах, и оптронной развязкой управляющей шины.
Силовая часть модуля включает фототранзисторы оптопар, подсоединенные к эмиттерам биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме и коммутирующих электромагниты реле. Параллельно электромагнитам реле подсоединены защитные диоды для защиты от повреждения транзисторных ключей при возникновении ЭДС самоиндукции в катушке электромагнита. Силовая часть имеет отдельное электропитание 5 В, которое может быть объединено с питанием блока управления с помощью перемычки. Силовое питание в модуле необходимо, прежде всего, для электромагнитов реле. При одновременной активации всех восьми реле сила тока, потребляемая 8-разрядным релейным модулем, не превышает 500 мА.
Третья часть 8-разрядного релейного модуля относится к коммутируемым контактам реле, которые для удобства монтажа выведены на край платы с помощью винтовых клемм. Для улучшения гальванической развязки общего контакта реле место его пайки частично отделено от платы при помощи «U»-образного пропила. Поскольку управление реле осуществляется выходами с открытым коллектором, то активным сигналом для коммутации является логический «0». При этом общий вывод реле подключен к нормально разомкнутому контакту. При наличии логической «1», которая установлена по умолчанию, напряжение на электромагнит реле не подается и общий вывод остается подключенным к нормально замкнутому контакту. Сопротивление разомкнутых контактов реле определяется воздушным зазором между пластинами контактора и значительно превышает 1 ТОм. Это позволяет не учитывать его при измерении электрических сопротивлений хеморезистивных элементов ГМЧ до 1 ТОм.
На основе набора таких модулей составлен 40-канальный мультиплексор, способный суммарно коммутировать до 39 сенсорных хеморезистивных элементов ГМЧ. На фиг. 3 показана принципиальная схема мультиплексора, на которой 8-разрядные модули электромеханических реле показаны блоками RM1 - RM5 (RM - Relay Module). Для упрощения схемы показано только логическое соединение управляющей шины с электромагнитами реле. Модули реле смонтированы на плате из органического стекла толщиной 4 мм с дополнительной подложкой из вспененного полиэтилена изолирующей платы релейных модулей. Мультиплексор представляет собой единую конструкцию, которая закреплена на внутренней стороне экранирующего бокса с помощью болтов М4 длиной 10 мм. Измерительные электроды ГМЧ подключены к нормально разомкнутым контактам реле. Общие (коммутируемые) контакты всех реле образуют две группы для подключения четных и нечетных номеров измерительных электродов ГМЧ. Реле, принадлежащие одной группе, объединены общей шиной, подключаемой к выводу канала мультиплексора с разъемом типа BNC. Нормально замкнутые контакты реле оставляют неподключенными. Следовательно, каждую пару хеморезистивных элементов ГМЧ коммутируют к коаксиальным выводам S1 и S2. Причем все четные электроды подключают к выводу S2, а все нечетные - к S1. Управление мультиплексором осуществляют с помощью цифровых линий программно-управляемого модуля ввода/вывода, подключенных к шине управления. Программно-управляемый модуль ввода/вывода обеспечивает электропитание для мультиплексора с бортового стабилизированного источника с напряжением 5 В.
Таким образом, данное электроизмерительное устройство обеспечивает измерение сопротивления хеморезистивных элементов ГМЧ в течение времени, измерение их вольтамперных характеристик, запись и визуализацию данных с помощью ЭВМ.