Полупроводниковые чувствительные элементы для научных исследований и управления агротехнологическими процессами

Сельскохозяйственная техника и оборудование / 10 февраля 2014


Большая потребность в датчиках и диагностических приборах для получения информации о состоянии биологических объектов делает чрезвычайно актуальным исследования по созданию сенсорных преобразователей и электронных приборов для решения научных и прикладных задач аграрных технологий, в частности, ветеринарии.

Использование современных достижений полупроводниковой микроэлектроники позволяет разработать новые чувствительные элементы и компактные электронные устройства для диагностики микроорганизмов и животных, а также аппаратуру для выращивания микроорганизмов и улучшения физиологического состояния животных.

Данная работа посвящена исследованию по созданию полупроводниковых структур для изготовления на их основе чувствительных элементов для датчиков температуры, механических величин (деформация, давление, сила, вибрация), оптических преобразователей, датчиков перемещения.

Результаты исследований.

Терморезисторы. Металлические термочувствительные элементы изготавливались [1] путем вакуумного и плазменного напыления металла с достаточно высоким коэффициентом термического изменения сопротивления (никель) на диэлектрическую подложку (ситалл, сапфир). Толщина пленки может составлять доли микрона, что обеспечивает высокое быстродействие термочувствительного элемента.

Использование прецизионной фотолитографии позволяет изготавливать узкие проводящие дорожки (до одного микрометра) (рис.1.), получать высокое сопротивление и соответственно высокую чувствительность тонкопленочных металлических термопреобразователей.

Рис.1 – Топология тонкопленочного металлического термочувствительного элемента

Используемая технология позволяет достигать разрешение и точность измерения температуры не хуже 0.1˚С. Однако в ряде случаев для разработки новых диагностических методов требуются чувствительные элементы со значительно более высоким разрешением.

Нами разработаны полупроводниковые термочувствительные элементы с положительным коэффициентом температурной зависимости, конструктивно выполненные в виде сопротивления из полупроводникового кристалла с двумя тонкими проводниками. Типичные размеры кристалла составляют 5.0×1.5×0.3 мм. Для термочувствительных элементов с повышенной чувствительностью длина может составлять до 15 мм (рис.2). Для медико-биологических исследований изготавливались чувствительные элементы с размерами 2.0×0.3×0.3 мм и 0.5×0.5×0.35 мм. Рабочий диапазон температур для обсуждаемых датчиков составляет от -50 до 100˚С.

Рис.2 – Полупроводниковые чувствительные элементы повышенной чувствительности с размерами 15.0×1.5×0.3 мм.

Рис.3 – Полупроводниковый чувствительный элемент для медико-биологических исследований с размерами 0.5×0.5×0.35 мм.

На рис.4. показаны разработанные нами датчики температуры с полупроводниковыми чувствительными элементами.

Рис.4 – Датчики температуры с полупроводниковыми чувствительными элементами

Изготовлены германиевые термочувствительные элементы с коэффициентом преобразования до 50 мВ/град. для использования в ферментерах. Воспроизводимость показаний разрабатываемых чувствительных элементов, особенно для элементов с высокой чувствительностью до 50 мВ/град., обеспечивалась выбором полупроводникового материала, особенностями технологии изготовления, включающей многократное термоциклирование (более 10 циклов) и испытанием на стабильность.

Высокая чувствительность, малые размеры и высокая воспроизводимость показаний позволяют использовать разрабатываемые термочувствительные элементы в различных областях науки и техники, включая технологию получения биологических препаратов, а с привлечением физических методов исследований и для диагностирования функционального состояния биообъектов.

Предложен новый способ определения морозоустойчивости растений по изменению состояния связанной воды в биообъектах при низких температурах (до минус 70˚С) с использованием оригинальных термочувствительных элементов с разрешением до 0.005˚С [2].

С использованием разработанных чувствительных элементов, изготовлены малоинерционные датчики для измерения температуры в ферментере, многоканальные цифровые измерители температуры для медико-биологичесих исследований [3], терморегуляторы.

Тензорезисторы и чувствительные элементы для преобразователей механических величин

При разработке датчиков механических величин использовались кремниевые тензорезисторы с нужной кристаллографической ориентацией [4] и чувствительные элементы с раздельными цепями питания и измерения, размещенные на сапфировой подложке (КНС-структуры).

Предложенные нами впервые [5,6] чувствительные элементы с раздельными цепями питания и измерения снижают температурное влияние на выходной сигнал, дают возможность упростить цепи измерения и позволяют изготавливать преобразователи механических величин с более высокими техническими характеристиками при более простой технологии их изготовления.

Тонкопленочные тензочувствительные элементы с раздельными цепями питания и измерения, выполненные на КНС-структурах, значительно превышают технические характеристики известных тензорезисторов [7].

Датчики давления изготавливались на основе оригинальной технологии микроэлектроники [8,9]. В качестве исходного материала использовался высоко легированный кремний дырочной проводимости, выращенный на сапфировых подложках. Толщина кремниевой пленки 2-2,5 микрометра, удельное сопротивление составляло 0,005-0,008 Ом·см.

Топология чувствительного элемента и омические контакты формировались с использованием прецизионной фотолитографии путем вакуумного напыления и электролитического осаждения четырехслойной структуры: алюминий - никель - олово - висмут. Для выбора оптимального рабочего тока через чувствительный элемент были измерены зависимости относительного изменения его сопротивления с разрешением до 0,03%., вызванного саморазогревом от протекающего тока, После изготовления датчик подвергался специальной тренировке для обеспечения требуемых технических характеристик.

Разработан цифровой измеритель давления (измеряемые давления до 1000 мм водяного столба с разрешением 1 мм вод. ст.) и газометрический анализатор активности микроорганизмов, позволяющий регистрировать результаты исследований на самописцах типа «ИНДИМ», «КСП –4» или на персональном компьютере [10].

Фоточувствительные элементы для оптических преобразователей

Фоточувствительные элементы разрабатывались на основе барьеров Шоттки с тонким полупрозрачным слоем на полупроводниковой подложке. В качестве подложек использовались кремний, арсенид галлия, твердые растворы фосфид–арсенид галлия, что позволяло создавать фотоприемники в диапазоне от 0.5 до 1.1 мкм с быстродействием не хуже 10 -5сек.

На основе специально изготовленных фотоприемников разработаны метод и автоматизированная установка для выявления меланозных зерен путем их просвечивания на выбранной длине волны [11].

Использование прецизионной фотолитографии позволило изготовить фоточувствительные элементы нужной конфигурации. Так, например, для измерителя площади листьев изготавливались фотоприемные линейки с шагом 1 мм [12] и оптопары с шагом 0.1 мм для определения направления перемещения каретки.

Оптопары, изготовленные для выбранных длин волн могут быть также использованы для измерения интенсивности роста микроорганизмов по изменению прозрачности питательной среды за счет увеличения их массы.

Применение разрабатываемых термо-, тензо- и фоточувствительных преобразователей не ограничивается приведенными примерами. Некоторые примеры их использования для решения аграрных производственных проблем будут представлены нами в отдельных сообщениях.

Литература:

1. А. П. Бондарь, Е. В. Козеев, С.Т. Батуринец, в сб. «Методы и средства научного обеспечения сельскохозяйственной науки», ВАСХНИЛ, Сиб. Отделение, Новосибирск, 1991, с. 97- 103.

2. Авт. св .№ 1471986, 15 декабря 1988, приоритет 30 декабря 1986, Э.М.Лобанов, А.А. Щербинин, Е.В. Козеев, В.И.Адамов, В.М. Бурдасов, Способ определения морозоустойчивости растений.

3. Е. В. Козеев, А. П .Бондарь, О.Н. Орлов, Г.В. Терехова, в сб. «Аппаратурные средства обеспечения биологических экспериментов», ВАСХНИЛ, Сиб. Отделение, Новосибирск, 1988, с. 47-54.

4. А. П. Бондарь, Е. В. Козеев, С.Т. Батуринец, в сб. «Аппаратурные средства обеспечения биологических экспериментов», ВАСХНИЛ, Сиб. Отделение, Новосибирск, 1988, с. 55-62.

5.Е.В. Козеев, Е.А. Макаров, Тезисы докладов 3 всесоюзного совещания по полупроводниковой тензометрии. Новосибирск, 1967, с 41.

6. Е.В. Козеев, Е.А. Макаров, в сб. «Физика и техника полупроводников», НЭТИ, Новосибирск, 1967, с 3.

7. Авт.св .№ 1408262, 8 марта 1988, приоритет 9 апреля 1986, Е.В. Козеев. Тензопреобразователь давления с раздельными цепями питания и измерения.

8. Авт.св .№ 1290110, 15 октября 1986, приоритет 6 августа 1984, Е.В. Козеев, А.П. Бондарь, А.В. Ноздреватых , Н.А. Ваймер. Способ изготовления тензопреобразователя давления.

9. Авт. св.№1493890, 15 марта 1989, приоритет 22 июля 1987, Е. В. Козеев, А. П .Бондарь . Способ изготовления полупроводникового тензопреобразователя с раздельными цепями питания и измерения .

10. Е. В. Козеев, Я. В. Плотников, Ю. Г. Юшков, А. Е. Козеев, в сб. «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов», Ч.2, Материалы Междунар. Науч. Практ. Конф. «АГРОИНФО -2003», Новосибирск, 22-23 октября 2003 г, РАСХН Сиб. Отд-ние.- Новосибирск, 2003, с. 342-344.

11. Е. В. Козеев, О. В. Кашуба, Р. И. Мусаев, в сб. «Методы и средства научного обеспечения сельскохозяйственной науки», ВАСХНИЛ, Сиб. Отделение, Новосибирск, 1991. с. 103–111.

12. Е,В,Козеев, И.А.Ненашев, А.В.Ноздреватых, Р.В.Шульц, в сб. «Измерительные и управляющие приборы и комплексы в сельскохозяйственном производстве», ВАСХНИЛ, Сиб. Отделение, Новосибирск, 1984. с. 51–58.

Козеев Е.В.,
ГНУ ИЭВСиДВ СО РАСХН, НПФ «Коста,
г. Новосибирск, Россия,
Е-mail: kozeev@bk.ru
 

Источник: BORONA.net



Другие статьи