Detector de gaze inflamabile si toxice bazat pe matrice de senzori

  • View
    231

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Detector de gaze inflamabile si toxice bazat pe matrice de senzori

  • SIC GAS - Proiect PN-II-PCCA Nr. 204/2012

    Detector de gaze inflamabile si toxice bazat pe matrice de senzori MOS pe carbura de siliciu

    Autoritatea contractanta: UEFISCDI Unitatea Executiva pentru Finantarea nvatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, Proiect PN-II-PCCA Nr. 204/2012 Acronim: SIC GAS Consortiu: Coordonator: Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Inginerie Electrica INCDIE ICPE-CA; Director Proiect: Dr. Fiz. Jenica Neamtu; Partener 1: Universitatea Politehnica Bucuresti; Responsabil Proiect: Prof Dr. Gheorghe Brezeanu; Partener 2: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologie; Responsabil Proiect: Fiz. Florea Craciunoiu; Partener 3: SC CEPROCIM SA; Responsabil Proiect: Ing. Ionut Iordache; Partener 4: SC InterNET SRL; Responsabil Proiect: Dr.Ing. Dragos Vasile Ofrim; Rezumatul proiectului Exista o mare nevoie de microsenzori de gaze inflamabile si toxice pentru controlul mediului n multe domenii ale industriei. Unele aplicatii solicita senzori care pot opera la temperaturi ridicate chiar si in medii chimice reactive. Obiectivul proiectului nostru este de a cercetata si dezvolta un senzor capacitiv MOS din carbura de siliciu (SiC) care poate detecta gaze toxice si inflamabile din mediul inconjurator. Acest tip de senzor este foarte potrivit pentru o astfel de aplicatie, deoarece are selectivitate si sensibilitate, are un raspuns rapid, iar timpul de recuperare este scurt avand consum redus de energie. Utilizarea carburii de siliciu reprezinta un element cheie ce permite senzorului sa functioneze la temperaturi ridicate. Cateva materiale si structuri inovatoare vor fi cercetate si dezvoltate, ceea ca va duce la cresterea performantelor actuale ale senzorului capacitiv SiC MOS. Fiecare structura va fi extrem de sensibila la un anumit tip de gaz. Structuri cu caracteristici diferite, vor fi integrate ntr-o matrice, n scopul cresterii gamei de gaze, care pot fi detectate cu precizie. Va fi dezvoltat un circuit electronic cu scopul de a masura iesirea senzorului de gaz si de a transmite semnalul la un calculator. Pe calculator se va dezvolta o aplicatie software personalizata. Aceasta aplicatie va primi valorile masurate din circuitul de actionare analizandu-le pentru a determina concentratia si tipul de gaz detectat. Senzorul si circuitul de control va fi mai intai proiectat si simulat. Urmnd ca structurile SiC MOS sa fie caracterizate folosind un sistem de caracterizare al semiconductorilor intr-o camera cu mediu controlat. Caracteristicile CV vor fi trasate pentru toate structurile din diferite amestecuri de gaze. Apoi, senzorii si circuitele de actionare vor fi fabricate urmnd ca aplicatia personalizata a softului sa fie dezvoltata. Prototipul va fi testat ntr-o camera cu mediu controlat, n aplicatia reala urmnd a se efectua ajustarea necesara. Etapa I: Modele teoretice si conceptuale ale detectorului de mediu pentru gaze toxice si inflamabile bazate pe senzori din carbura de siliciu MOS; Identificarea surselor emisiilor de gaze toxice si inflamabile proveninte din industria materialelor de constructie; Studii ale procesului tehnologic pentru fabricarea senzorilor de gaz; Studii si experimentari preliminare pentru fabricarea straturilor subtiri componente ale structurilor SiC MOS, tehnologie compatibil? cu substratul de carbura de siliciu (SiC). (07-12. 2012) Etapa II: Cercetare industriala: Proiectare si simulare a diferitelor structuri de senzori SiC MOS; Experimente pentru solubilitatea gazelor in diferiti electrozi metalici; Experimente pentru stabilirea parametrilor optimi tehnologici ale stratului de oxid; Experimente pentru fabricarea M/O pe substratul SiC; Proiectare model experimental; Proiectare masti; Proiectare echipament destinat testarii si detectiei gazelor toxice si inflamabile; Proiectare de subansamble. (01-12. 2013) Etapa III: Cercetare industriala: Elaborarea model experimental; Fabricarea lotului de masti; Simularea modelui functional; Subansamble ale senzorului de gaz testate pe echipamentele elaborate; Pregatirea echipamentelor pentru testarea senzorilor de gaz intr-o incinta de mediu controlabila atat pentru concetratiile joase ct si pentru cele ridicate; Optimizarea structurii si a procesului tehnologic; Proiectarea unei noi capsule izolata electric pentru senzorii de temperaturi inalte. (01-12. 2014)

  • 2

    Etapa IV: Cercetare industriala: Experimentari ale detectorului; Utilitatea si functionalitatea modelului experimental; Proiectarea si implementarea senzorului in circuit, conexiuni intre circuit, calculator si reteaua de senzori; dezvoltarea aplicatiei software; Caracterizarea, testarea si calibrarea intregului ansamblu; Demonstrarea functionalitatii si fiabilitatii detectorului SIC MOS in conditii reale in cadrul instalatiior industriale. (01-07. 2015) Raport etapa I Raport etapa 2 Raport etapa 3 Raport etapa 4

  • 1

    CONTRACT DE CERCETARE STIINTIFICA PCCA Nr 204/2012

    Detector de gaze inflamabile si toxice bazat pe matrice de senzori MOS pe

    carbura de siliciu (SIC GAS)

    RAPORTUL STIINTIFIC SI TEHNIC

    ETAPA NR. 1 Cercetare fundamentala: Modele teoretice si conceptuale de detectori pentru gaze toxice si

    inflamabile bazati pe metal/oxid/SiC; Cercetare industriala: Studii si experimentari

    Coordonator: Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Inginerie Electrica INCDIE ICPE-CA, Director Proiect: Dr. Fiz. Jenica Neamtu Partener 1: Universitatea Politehnica Bucuresti, Responsabil: Prof. Dr. Gheorghe Brezeanu Partener 2: I NCD Microtehnologie, Responsabil Proiect: Fiz. Florea Craciunoiu Partener 3: SC CEPROCIM SA,Responsabil Proiect: Ing. Ionut Iordache Partener 4: SC InterNET SRL, Responsabil Proiect: Dr.Ing. Dragos Ofrim

    Termen: 2 Dec. 2012

    Obiectivele generale ale proiectului sunt:

    Proiectarea si simularea unor structuri de senzori tip capacitor MOS pe carbura de siliciu (SiC), pentru gaze toxice si inflamabile.

    Fabricarea, masurarea si caracterizarea unei arii de senzori MOS pe SiC.

    Proiectarea, fabricarea si calibrarea unui echipament de testare a senzorilor pentru gaze toxice si inflamabile. Dezvoltarea aplicatiei software de monitorizare si control.

    Testarea functionalitatii si fiabilitatii senzorilor SiC-MOS in conditiile reale din mediul industrial.

  • 2

    Rezumat

    Raportul, n Cap. 1 este destinat Activitatilor: I.1.Modele de structuri sensitive pentru gaze toxice si inflamabile bazate pe metal/oxid/semiconductor; I.2 Modele conceptuale de senzori pentru gaze toxice si inflamabile bazati pe metal/oxid/SiC; I.7 Studii si simulare pentru structura sensitiva de gaze toxice si inflamabile tip M/O/SiC; realizate de CO si P1. Senzorii de gaz bazai pe structura MOS cu poart metal pot fi realizai in variantele: dioda Schottky, capacitor MOS si transistor cu effect de camp (MOSFET). Modele conceptuale de senzori pentru gaze toxice pe M/O/SiC sunt capacitoare: Pt/TaSix/SiO2/4H-SiC ( la temperaturi >650C), Pt/SiO2/SiC(la temperaturi 500-600C). Structura Pd/TiO2/SiO2/SiC cu 50 nm (Pd), 75nm (TiO2), 25nm (SiO2) prezenta sensibilitate ridicata la H2, H2S si O2. Structurile Si-MOS si SiC-MOS au fost simulate folosind programul de simulare 2D MEDICI. S-a determinat temperatura maxima de functionare, precum si efectul sarcinilor din oxid si de la interfata oxid-semiconductor asupra caracteristicii C-V a capacitorului. Panta caracteristicii C-V in regiunea de golire a structurii SiC-MOS este mai mica decat a structurii Si-MOS din cauza unui numar mai mare de sarcini de la interfata, precum si a unei valori mai ridicate a temperaturii de functionare. Cap. 2 in conformitate cu Activitatile prezint: I.3 Model conceptual de tehnologie pentru senzori de gaze toxice si inflamabile tip metal/oxid/SiC; I.6 Studii si experimentari preliminare straturi subtiri componente ale structurii metal/oxid/semiconductor; I.8 Studii pentru tehnologia de configurare a senzorilor de gaze toxice si inflamabile tip metal/oxid/SiC; realizate de CO i P2. S-a realizat un studiu privind modelul de tehnologie abordat pentru structurile sensitive tip MOS pentru gaze toxice si inflamabile. Structura sensitiva tip MOS SiC care functioneaza ca senzor chimic se compune dintr-un substrat de carbura de siliciu pe care se depune un multistrat de material catalitic/ strat subtire izolator (oxid). Materialul catalitic poate fi un metal ca platinum, nichel, palladium sau combinatii ale acestora. Tehnologia microelectronica se preteaza la procesarea pe arii de senzori, ceea ce reduce considerabil pretul/chip al senzorilor. S-au efectuat studii si experimentari preliminare pentru realizarea straturilor subtiri dielectice de TiO2 si metalice componente ale structurii MOS. In functie de puterea incidenta, de temperatura si de durata depunerii s-au realizat straturi subtiri de TiO2 cu grosimi intre 2.6-16.26 nm si rugozitati de 0.29-1.3 nm. Metalul folosit in Et I este Nichelul, s-a facut depunerea Ni prin evaporare termic la 200oC si 400 oC. Cap. 3 rezolv Activitatile: I.4 Formularea ipotezelor privind emisiile de gaze toxice si inflamabile; I.9 Studiul privind limitele de variatie a concentratiilor de gaze toxice si inflamabile in industria materialelor de constructie; realizate de P3. S-a efectuat un studiul privind formularea ipotezelor privind emisiile de gaze toxice si inflamabile si limitele de variatie a concentratiilor de gaze toxice si inflamabile in industria materialelor de constructie. Cap. 4 rezolv Activitatile: I.5 Modele conceptuale pentru un echipament de testare senzori de gaze toxice si inflamabile tip metal/oxid/SiC; I.10 Studiu de configuratii pentru senzori de gaze toxice si inflamabile bazati pe metal/oxid/SiC; ; realizate de P4. Sunt analizate modelele de echipamente de testare senzori de gaze toxice existente in literatura: Kanda