Senzori de hidrocarburi pe SiC pentru măsurarea concentraţiilor de hidrogen și hidrocarburi

OBIECTIVELE PROIECTULUI

  • Proiectare, fabricare şi caracterizare de senzori de gaz (hidrocarburi) VARICAP bazaţi pe noi structuri de dispozitive unipolare pe SiC – capacitoare MOS VARICAP, capabili să funcţioneze până la 300°C cu timpi de răspuns reduşi (sub 5 s) şi toleranţă excelentă la medii ostile de lucru;
  • Tehnologie optimizată pentru senzori de gaz pe SiC;
  • Proiectare,simulare, fabricare şi caracterizare de circuite performante de achziţie a semnalului de la ieşirea senzorului (CEAS) şi, respectiv circuite de conversie a tensiunii în standardul industrial reprezentat de un curent în gama 4-20mA (CONVI);
  • Tehnologie de încapsulare a dispozitivelor senzor pe SiC pentru a permite funcţionarea până la 300°C;
  • Sistem de măsurare şi caracterizare în temperatură a senzorilor pe SiC;
  • Calibrarea senzorului pentru responsivitate optimă în medii industriale ostile.

Se vor proiecta, fabrica şi testa în medii de lucru ostile senzori de hidrocarburi, bazaţi pe dispozitive unipolare pe carbură de siliciu (SiC). Utilizarea SiC, semiconductor de banda larga, rezistent la temperaturi înalte, agenţi chimici şi radiaţii, face posibilă dezvoltarea de tehnologii pentru dispozitive electronice fiabile destinate monitorizării concentraţiilor de hidrocarburi in medii industriale ostile, cu temperaturi ridicate şi umiditate variabilă.
Pentru realizarea proiectului, având in vedere limitările raportate în literatura de specialitate, se vor implementa soluţii inovatoare, atât pentru fabricarea senzorului propriu-zis, cât şi pentru proiectarea şi realizarea unui circuit performant de prelucrare a semnalului de la ieşirea senzorului. Sistemul senzor de gaze pe SiC şi circuit de achiziţie şi prelucrare a semnalului (CEAS/CONVI) va fi testat în condiţii reale la fabrica de ciment Fieni.

PARTENERI

IMT

Institutul Naţional de Cercetare – Dezvoltare pentru Microtehnologie (IMT)
COORDONATOR

www.imt.ro
UPB

Universitatea Politehnica din București
(UPB)

www.upb.ro

UPB proiectează structurile de senzori de gaz, dezvoltă circuitele de achiziție (CEAS) și conversie a semnalelor electrice (CONVI), proiectează și realizează sistemul de măsură și caracterizare electrică în temperatură a senzorilor. IMT dezvoltă senzorii de gaz, împreună cu metodele tehnologice de nanostructurare a metalului catalitic, asigură încapsularea senzorilor și participă la testarea și caracterizarea acestora.

Rezultate

1. Sistem integrat de senzor pentru hidrocarburi. Model experimental

Atributul de senzor inteligent este justificat realizarea unui sistem integrat cu capacitor MOS pe SiC (senzorul propriu-zis) şi circuite specializate de achiziţie şi prelucrare a semnalului electric al capacitorului pe SiC (CEAS) şi de conversie analog digitală (CONVI) – Fig. 1

Sistemul propus are în componenţă un modul analogic, reprezentând circuitul de măsură de tip PLL şi un modul digital, cu rolul de a prelucra rezultatele măsurătorilor obţinute cu circuitul analogic şi de a interfaţa cu utilizatorul. Modulul analogic este o structură de DPLL (Digital PLL), având în componenţă două oscilatoare comandate în tensiune (VCO), un detector de fază și frecvenţă digital precum și un filtru de tip trece-jos. Frecvenţele semnalelor oferite de cele două VCO sunt date de doi senzori, unul de referinţă (insensibil la gaz) și unul activ. Acestea sunt acordate de detectorul de fază și frecvenţă printr-o tensiune de comandă, proporţională cu concentrația de gaz. Măsurătoarea efectuată este diferenţială, eliminând influenţe parazite, precum variaţia temperaturii. Modulul de conversie (CONVI) propus pentru această etapă este digital, cu rolul de a comanda PLL-ul și de a prelucra semnalul dat de aceasta. În componența sa intră un microcontroller și convertoare A/D și D/A. Informaţia este afișată pe un LCD.

2. Proiectarea procesului tehnologic de realizare a dispozitivelor pe SiC.
Proiectarea si realizarea măștilor fotolitografice.

Dispozitivele pe SiC cu capacitate variabila vor fi fabricate plecand de la plachete de SiC, de politipul 4H-SiC, cu 2 straturi epitaxiale: primul reprezinta un buffer, cu o grosime de 0.5 µm si o concentratie de purtatori de ordinul 1018 cm-3, iar cel de-al doilea strat epitaxial reprezinta stratul activ, cu o grosime de pana in 10 µm si o concentratie de purtatori de aproximativ 1016 cm-3. Pentru realizarea acestor dispozitive au fost proiectate masti fotolitografice, configuratia finala a acestora fiind ilustrata in Fig. 2.
Asa cum se observa in Fig. 2, au fost realizate 2 tipuri de structuri identice ca forma, dar diferite din punct de vedere al aplicatiei acestora. Una dintre structuri va utiliza ca electrod de poarta un metal cu proprietati catalitice cu scopul detectiei de hidrocarburi. Cealalta structura va fi folosita drept referinta pentru o masuratoare diferentiala a detectiei de gaz. Mai mult, aceasta din urma este utilizata cu scopul de a determina proprietatile electrice ce definesc anumite stari de la interfata oxid/SiC sau sarcini mobile

Fig. 1 – a) Schema bloc a ansamblului CEAS/CONVI.

Fig. 1 – b) Layout-ul modulului CEAS.

Fig. 2 – Structura dispozitivelor cu capacitatea variabila realizate pe SiC