РОЗДІЛ 2
МІКРОЕЛЕКТРОННІ ЧАСТОТНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ВОЛОГОСТІ
НА ОСНОВІ БІПОЛЯРНОЇ ТРАНЗИСТОРНОЇ СТРУКТУРИ З
ЧУТЛИВИМ ЕЛЕМЕНТОМ НА ОСНОВІ
ГІГРОСКОПІЧНИХ СОЛЕЙ
Швидкий розвиток науково-технічного прогресу і безперервне удосконалення
технології потребує швидкого розвитку контрольно-вимірювальних систем, основою
яких являються сенсори для вимірювання параметрів навколишнього середовища.
Одне з провідних місць серед яких займають частотні перетворювачі вологості на
основі транзисторних структур з від’ємним опором (напівпровідникові прилади у
яких статична вольт-амперна характеристика має ділянку з від’ємним
диференційним опором). Необхідність вимірювання вологості у промисловості, а
також у побуті зробила актуальною проблему розробки і дослідження даного
різновиду перетворювачів. Використання частотних перетворювачів з від’ємним
опором надає можливість збільшити завадостійкість, точність вимірювання,
тривалу стабільність, великий строк служби, високу чутливість до вимірювального
параметру, малі габаритні розміри, масу, конструктивну та технологічну
сумісність з мікроелектронними засобами обробки інформації, значно спростити
існуючі схеми, тобто виключає використання АЦП при обробці сигналів, що істотно
знижує собівартість систем контролю та управління. З метою вивчення
властивостей частотних перетворювачів вологості насамперед необхідно розробити
математичні моделі, за допомогою яких можна отримати як залежність
вольт-амперної характеристики, так активної і реактивної складових повного
опору структури, частоти генерації від впливу відносної вологості, від режимів
живлення, виконати експериментальні дослідження, які б підтвердили
справедливість теоретичних положень. Розгляду цих питань присвячений даний
розділ.
2.1. Розрахунок параметрів резистивного вологочутливого елементу
На даний час існують різноманітні варіанти як сорбційно-кондуктометричних, так
і ємнісних перетворювачів вимірювання мікровологості парорідинного середовища
та відносної вологості промислового виробництва, принцип дії яких базується на
зміні електрофізичних параметрів вологочутливої плівки від адсорбованої з
навколишнього середовища пари води [49]. Крім того, можливість використання
гігроскопічних солей для створення вологочутливих плівок перетворювачів
вологості дає змогу досконально визначити природу впливу адсорбції пари води на
чутливу плівку даного різновиду перетворювачів [13]. Але на даний час не існує
математичної моделі, яка б описувала зміну електрофізичних параметрів
вологочутливої плівки від кількості адсорбованої пари води. Тому задача
полягала в розробці математичної моделі, яка б описувала поведінку
вологочутливого резистивного елементу від зміни відносної вологості
навколишнього середовища.
Відомо, що провідність кристалічної солі значно нижче провідності розчину і
тому при нульовій вологості сіль веде себе, як напівпровідник [12].
За основу розрахунку скористаємось формулою для визначення опору резистора на
тонких напівпровідникових плівках [133]. Резистор виготовлений у вигляді
меандру
, (2.1)
де - питомий опір, Ом·м;
- параметри, які враховують геометрію резистора виготовленого у вигляді
меандру, м.
Величина, зворотна питомому опору, називається питомою провідністю [134]
, (2.2)
де - питома провідність, См·м-1.
Із врахуванням (2.2), формула (2.1) прийме вигляд:
. (2.3)
Встановлено, що із навколишнього середовища своєю поверхнею тверді тіла
поглинають (адсорбують) молекули, атоми, а також іони. Адсорбція газу, водяної
пари, або ж розчиненої речовини на поверхні твердого тіла протікає довільно,
коли в результаті адсорбції зменшується ізобарний потенціал поверхні. Тобто,
адсорбуються на поверхні адсорбенту речовини, які знижують поверхневий натяг
його відносно навколишнього середовища [135].
А авторами в роботі [135] експериментально було встановлено, що в багатьох
системах адсорбуються переважно ті речовини на поверхні розділу двох фаз, які
по своїй полярності займають проміжне місце між речовинами, які створюють ці
фази.
На основі досліджень природи адсорбційних процесів зроблено такий висновок, що
в різноманітних випадках адсорбції відіграють роль як фізичні, так і хімічні
взаємодії між адсорбентом і адсорбтивом. Саме це доволі чітко виявляється при
адсорбції газів. Дія хімічних сил на чистій поверхні адсорбенту проявляється
під час поглинання перших порцій газу (пари). Зауважимо, що поверхня твердого
тіла, тобто хорошого адсорбенту містить багаточислені ультрамікроскопічні
виступи та поглиблення. Крім того, ступінь насиченості валентних сил атомів,
розташованих на різноманітних ділянках поверхні і їх здатність до взаємодії з
атомами і молекулами навколишнього газу різноманітна. Адсорбція у даному
випадку специфічна, тому що енергійно адсорбують молекули даного газу чи пари
найбільш активні ділянки поверхні і тип газу, а саме його хімічні властивості
відіграють першочергове значення. У даному випадку адсорбція супроводжується
виділенням значної кількості теплоти – це хімічна адсорбція. Зазначимо, що при
подібних процесах можлива зміна властивостей поглиненого газу. Але при більш
високих тисках і при поглинанні наступних порцій газу інтенсивність цих ефектів
знижується і переважають фізичні фактори. У даному випадку поверхневі атоми або
іони адсорбенту створюють в поверхневому шарі силове поле і конденсація молекул
навколишнього газу проходить значно легше ніж при відсутності його.
Зауважимо, що фізична адсорбція спричиняється трьома складовими
міжмолекулярного притягання – дисперсійною, орієнтаційною та індукційною
взаємодіями [135].
Крім того, при фі
- Киев+380960830922