Радіовимірювальні перетворювіачі вологості на основі МДН-структур

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці радіовимірювального перетворювача вологості повітря чистих кімнат для систем чистих кімнат в мікроелектронній промисловості. В якості первинного перетворювача інформації зарпопоновано використання двозатворного вологочутливого МДН-транзистора, а в якості вторинного перетворювача інформації – радіовимірювальний перетворювач вологості на основі автогенераторних структур з від`ємним диференційним опором, що реалізують принцип перетворення „кількісна ознака вимірюваної величини – частотний інформативний сигнал”. У дисертаційній роботі розглянуто вплив вологості на електрофізичні характеристики транзисторних МДН-структур з вологочутливим шаром пористого окису кремнію в якості підзатворного діелектрика. В результаті математичного моделювання отримано аналітичні і графічні залежності активної, реактивної складових повного опору, а також еквівалентної ємності даної структури від величини вимірюваного параметру, а також враховано вплив температури і тиску атмосфери на елементи еквівалентної схеми даного первинного перетворювача. На основі результатів розробленої математичної моделі первинного перетворювача вологості, було зроблено висновок про доцільність їх використання в автогенераторних вторинних перетворювачів вологості для систем чистих кімнат, що володіють високою чутливістю і завадостійкістю інформаційного сигналу і можуть використовуватись в якості модулятора генератора ЧМ-коливань, які можуть передаватись на відстань бездротовим шляхом. Розроблено математичну модель радіовимірювальних перетворювачів вологості повітря чистих кімнат, виконаних у часовому домені, в яких враховано вплив вимірюваного параметру, а також температури і тиску оточуючого повітряного середовища на елементи еквівалентної схеми даних перетворювачів, на основі якої отримано функцію перетворення і рівняння чутливості. Запропоновано мікропроцесорний прилад для вимірювання параметру вологості повітря систем чистих кімнат, в якому за рахунок використання частотного методу перетворення збільшено чутливість вмірювання, а також дало змогу використання даного перетворювача інформації в якості модулятора передавальної частини приладу.

Диссертационная работа посвящена разработке радиоизмерительных преобразователей влажности на основе чувствительных МДП-структур. Современные исследования свойств аморфных пленок полупроводников и диэлектриков (в том числе, кремния и его окиси) позволяют их применение для создания чувствительных пленок разнообразных датчиков химических веществ. Совершенствование систем измерения и контроля параметров технологического оборудования может осуществляться на каждом этапе формирования и преобразования информационного параметра об исследуемой величине. На уровне первичного преобразователя, высокая точность и чувствительность последнего может обеспечиваться использованием новых материалов чувствительного элемента и конструктивного исполнения самого преобразователя. Применение двухзатворной МДП-структуры с влагочувствительным шаром подзатворного диэлектрика на основе пористой окиси кремния позволяет с одной стороны увеличить чувствительность измерения, а с другой стороны – дает возможность изготовления первичного преобразователя по интегральной технологии на одном кристалле. В результате математического моделирования получены зависимости активной и реактивной составных полного сопротивления, а также эквивалентной емкости двухзатворного влагочувствительного МДП-транзистора в зависимости от влажности, а также давления и температуры окружающей газовой среды. Разработана конструкция микропроцессорного прибора для измерения влажности воздуха чистых комнат с беспроводным каналом передачи информационного сигнала. В качестве частотного модулятора передающей части прибора предложено выполнить на основе радиоизмерительного преобразователя влажности на основе двух влагочувствительных двухзатворных МДП-транзисторов. Рассчитана систематическая погрешность и помехоустойчивость информационного канала данного прибора для измерения влажности воздуха чистых комнат.

The thesis is devoted to the development of the radiomeasuring humidity transformer for the clean room’s air. As the primary information converter is offered to use two-gate humidity-sensitive MOSFET. The secondary converter is offered the using of the radiomeasuring humidity transformer based on self-generating structures with negative resistance, which are using the principle of transformation „quantitative sign of measurand - frequency informative signal”. The influence of humidity on electrophysical parameters MOSFETs with humidity-sensitive porous silicone-oxide layer is considered in the thesis. The analytical and graphic expressions of the active and reactive resistances and equivalent capacitance of theMOSFET are got as a result of mathematical design. On the basis of primary humidity transformer’s mathematical model the conclusion was done about expedience of their use for the generating secondary humidity transformers for the systems of clean rooms, which own a high sensitiveness and stability to the hindrances of the information signal, and can be used as a FM-modulator in the in the wireless information systems. The construction of the microprocessor device for the measurement of the clean room’s air humidity is offered, which has improved firmness to the hindrances by using of frequency transformation method, and allowed application of the secondary transformer as FM-modulator of the transmitter part of device.