Utilizarea structurilor MOS in circuite pentru masurarea umiditatii

Utilizarea structurilor MOS in circuite pentru masurarea umiditatii

Introducere

Controlul umiditatii relative este esential in productia de textile, hartie, alimente, medicamente si de asemenea in procesul de fabricatie al circuitelor integrate. Bazate pe principii si tehnologii diferite, au fost propuse diverse tipuri de dispozitive sensibile la variatii ale umiditatii. Toate acestea folosesc de regula materiale la care rezistenta electrica sau constanta dielectrica pot fi influentate de valorile umiditatii.

Utilizarea tehnologiei siliciului a permis obtinerea unor senzori de umiditate deosebit de eficienti remarcandu-se indeosebi trei categorii de astfel de dispozitive:

a) Senzori capacitivi de umiditate integrati [10] care includ in aceeasi structura o dioda pentru masurarea temperaturii si un condensator avand ca izolator o rasina poliamidica cu constanta dielectrica dependenta de umiditatea relativa (RH). Circuitele pentru conversia variatiilor capacitatii in variatii de frecventa pot fi integrate pe acelasi cip. Pentru un dispozitiv tipic, la modificarea RH in domeniul 10% - 100% s-au pus in evidenta valori ale capacitatii cuprinse intre 210 pF si 260 pF.

b) Senzori MOSFET sensibili la umiditate [10] a caror functionare se bazeaza pe modificarea conductantei canalului, determinata de schimbari in stratul izolator al portii ca efect al variatiilor umiditatii relative.

c) Senzori de umiditate cu punct de condensare integrati [11] care permit determinarea umiditatii prin masurarea punctului de condensare. Senzorul propriu-zis consta intr-un condensator cu structura deschisa dispus la partea superioara a unui strat de siliciu pe un element miniatural (Peltier) de racire.

In substratul de siliciu este integrata o dioda (figura 13.56) pentru masurarea temperaturii cipului. Aceasta temperatura poate fi coborata daca elementul de racire este parcurs de un curent corespunzator. La atingerea punctului de condensare, capacitatea condensatorului creste brusc, deoarece constanta dielectrica a apei este destul de ridicata.

Se noteaza temperatura T_C a punctului de condensare si din curba care exprima presiunea de saturatie a vaporilor de apa functie de temperatura se determina P_c. Cunoscandu-se presiunea de saturatie la temperatura ambianta P_a se calculeaza umiditatea relativa: . Daca prin utilizarea reactiei, semnalul de la iesirea circuitului de masurare a capacitatii este folosit pentru controlul curentului prin elementul de racire, se poate mentine constanta cantitatea de apa condensata.

Caracterizarea senzorului de umiditate MOSFET

Figura 13.57 prezinta un senzor MOSFET sensibil la umiditate. Structura obisnuita de poarta a fost inlocuita cu o structura mai complexa care include o poarta subtire din aur poros, o membrana sensibila la umiditate realizata dintr-un strat de acetat de celuloza (1 mm), o poarta standard din aluminiu, un strat de Si₃N₄ si altul de SiO₂.

Considerandu-se rezistenta R_B de interconectare intre cele doua porti de valoare foarte mare, pe baza circuitului echivalent al MOSFET-ului sensibil la umiditate se deduce depen-denta dintre tensiunea de iesire v_o si umiditate expri-mata prin capacitatea C_m, a membranei sensibile la umiditate.

Aplicand divizorul de tensiune rezulta:

(13.40)

in care reprezinta capacitatea stratului de acetat de celuloza, iar este capacitatea stratului izolator de poarta.

Daca se obtine:

(13.41)

Tinand seama de expresia amplificarii la frecvente joase se deduce:

(13.42)

Ultima relatie exprima un raspuns liniar al senzorului.

3. Prezentarea traductorului de umiditate

In figura 13.59 este redata schema de principiu a traductorului realizat pe baza unui microsenzor chimic MOSFET.

1. Calculul si justificarea alegerii componentelor traductorului

Pentru structura MOSFET prezentata in figura 13.57 la variatia umiditatii intre 10% si 100%, ia valori intre 40 mV si 60 mV.

La frecvente joase amplificarea tranzistorului cu efect de camp din schema traductorului de umiditate are expresia:

(13.43)

Daca se alege , rezulta o panta , valoarea:

Tensiunea la iesirea senzorului ia valori in intervalul:

(13.44)

Se considera acceptabil si se impune ca acestui domeniu de valori sa-i corespunda o tensiune continua la iesirea traductorului cuprinsa intre 4V si 6V.

Apreciind pe dioda in conductie, o cadere de tensiune de , rezulta ca la iesirea operationalului este necesara o gama de valori .

Circuitul integrat este un amplificator care functioneaza in montaj neinversor si prezinta o amplificare:

(13.45)

Astfel daca si se obtine:

(13.46)

Pe baza relatiei: , pentru se deduce:

(13.47)

Reducerea erorilor de offset impune ceea ce se verifica pentru valorile adoptate.

Daca sursa de tensiune alternativa are frecventa fixa , pentru a reduce pulsatiile si a mentine la valoarea de

varf a tensiunii se respecta conditia:

(13.48)

Se alege . Pentru rezulta:

(13.49)

Se adopta valoarea: .

4. Descrierea functionarii circuitului pentru controlul umiditatii

Amplificatoarele operationale AO2 si AO3 (figura 13.60.) realizeaza doua comparatoare si permit sesizarea situatiile in care valorile RH nu se incadreaza in limitele prestabilite. Potentiometrele P₁ si P₂ sunt etalonate in grade de umiditate relativa si servesc la fixarea celor doua nivele admisibile pentru umiditatea relativa: P₁ - nivelul inferior, iar P₂ - nivelul superior. Cand V₂ scade sub V_{ref 1}, comparato-rul AO2 trece in starea "sus" (figura 13.61), si V₃ asigura aprinderea ledului de culoare rosie LD₁ si totodata starea de conductie la saturatie a tranzistorului T₁ ceea ce determina blocarea lui T₃ (ledul verde LD₃ este stins). La cresterea umiditatii relative cand ,comparatorul AO2 trece in starea "jos", T₁ se blocheaza iar tranzistorul T₃ intra in conductie si LD₃se aprinde.

Daca V₂>V_ref2, comparatorul AO3 trece in starea  "sus", se aprinde ledul LD₂ care avertizeaza depasirea nivelului maxim permis a umiditatii, iar T₂ conduce la saturatie blocand tranzistorul T₃ (se stinge LD₃).

Deoarece ia valori in intervalul , se alege dioda Zener de tipul PL6V2. Pentru o sursa de alimentare , caderea de tensiune pe este:

(13.50)

Se impune ca prin fiecare din grupurile , si respectiv , sa treaca un curent de 1mA, .

Rezulta:

(13.51)

Atat potentiometrul cat si trebuie sa permita un reglaj intre 4V si 6V, deci o variatie .

Se obtine:

(13.52)

Se aleg: . Deci:

Caderile de tensiune prin si sunt:

(13.53)

Se determina:

(13.54)

Se adopta valoarea:

Curentul prin rezistorul :

(13.55)

Pentru ca dioda sa functioneze in regim de stabilizare este necesar .

Alegand , se obtin:

(13.56)

din care 2mA absorb grupurile , si , , astfel incat prin dioda Zener trece .

Deoarece: si rezulta:

(13.57)

Se aleg:

Calculul circuitului de avertizare optica

Tranzistoarele , , pot fi de tipul BC107. Cand tranzistorul se satureaza dioda electroluminanta se aprinde, curentul prin ea fiind limitat de rezistenta (figura 13.60).

(13.58)

Daca se considera rezulta .

Pentru un factor de amplificare in curent al tranzistorului , se obtine:

(13.59)

Se determina valoarea cu relatia:

(13.60)

Pentru o saturare sigura a lui se impune si se alege .

Asa cum s-a precizat la descrierea functionarii circuitului comparator , tranzistoarele si pot fi simultan in stare de blocare, dar nu pot conduce ambele la saturatie. Daca este in starea de saturatie este blocat si invers.

Deci curentul de saturatie pentru oricare dintre ele se determina cu relatia:

(13.61)

Rezulta:

(13.62)

Se aleg , deci se obtine:

(13.63)

O valoare prea mica pentru ar cere un curent mare de la comparatoarele si .

De asemenea valori prea mari ale rezistentelor si nu ar asigura blocarea ferma a tranzistoarelor si cand comparatoarele ar avea iesirile in starea jos.

Se determina cu relatia:

(13.64)

Se alege: . S-a tinut seama ca

Observatie:

Rezistentele si se puteau inlocui cu cate o rezistenta de in serie cu cate o dioda Zener de 5V.

Tensiunea la iesirea senzorului de umiditate variaza intre 0,2-0,3 V, cand umiditatea relativa ia valori de la 10% la 100%. Circuitul integrat AO1 este un amlificator bA741 care functioneaza in montaj neinversor si prezinta o amplificare:

(13.65)

Astfel tensiunea de iesire v₁ ia valori intre 4,6 V si 6,9 V. Daca sursa de tensiune alternativa v_i are frecventa fixa de 10kHz, constanta de timp a grupului R,C se alege t 3 ms. Pentru se obtine .

Deoarece V₂ ia valori in intervalul 4 6 V, se alege dioda Zener de tipul PL6V2, iar prin R₄=560W trece un curent din care grupurile P₁, R₅ si P₂, R₆ absorb cate un miliamper, astfel incat prin dioda Zener trece .