Датчик для обнаружения и/или измерения концентрации электрических зарядов

Датчик для обнаружения  и/или измерения концентрации электрических  зарядов.

Изобретение относится к измерительной  технике. Сущность изобретения: датчик для обнаружения и/или измерения  концентрации электрических зарядов, содержащихся в среде, содержит структуру полевого транзистора, включающую мостик, формирующий затвор и проходящий над активным слоем, размещенным между областями стока и истока. На мостик подается напряжение затвора, имеющее заданное значение. Между мостиком и активным слоем или изолирующим слоем, осажденным на активном слое, размещается зона так называемого воздушного зазора, имеющего заданную высоту. В воздушном зазоре создается электрическое поле Е, напряженность которого определяется как отношение напряжения на затворе к высоте воздушного зазора. Напряженность электрического поля, созданного в воздушном зазоре, имеет величину, равную заданному пороговому значению 50000 В/см и более, которое достаточно для того, чтобы электрическое поле Е воздействовало на распределение электрических зарядов, имеющихся в среде и присутствующих в воздушном зазоре, и обеспечивало высокую чувствительность датчика, достигаемую в результате накопления электрических зарядов на активном слое, при этом поверхность мостика покрыта изолирующим материалом. Техническим результатом изобретения является создание датчика, используемого в газовой или в жидкой среде и имеющего более высокую чувствительность. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Датчик  для обнаружения и/или измерения  концентрации электрических зарядов, содержащихся в среде, который содержит структуру полевого транзистора, в состав которой входит мостик (4), формирующий затвор и проходящий над активным слоем (10), размещенным между областями стока (6) и истока (7), причем напряжение на затворе, приложенное к мостику, имеет заданную величину, и между мостиком (4) и активным слоем (10) или изолирующим слоем (8), осажденным на активном слое, имеется зона воздушного зазора (9), имеющего заданную высоту, где в воздушном зазоре создается электрическое поле Е, напряженность которого определяется как отношение между напряжением на затворе и высотой воздушного зазора, отличающийся тем, что напряженность электрического поля, созданного в воздушном зазоре, имеет величину, равную заданному пороговому значению 50 000 В/см и более, которое достаточно для того, чтобы электрическое поле Е воздействовало на распределение электрических зарядов, имеющихся в среде и присутствующих в воздушном зазоре, и обеспечивало высокую чувствительность датчика, достигаемую в результате накопления электрических зарядов на активном слое, при этом поверхность мостика покрыта изолирующим материалом (30).

2. Датчик  по п.1, отличающийся тем, что  высота воздушного зазора не  превышает 1 мкм.

3. Датчик  по п.1, отличающийся тем, что  высота воздушного зазора не превышает 0,5 мкм.

4. Датчик  по п.1, отличающийся тем, что  по меньшей мере часть поверхности  структуры, включая области стока  и истока, и активный слой, покрыта  изолирующим материалом (30) так, чтобы  датчик мог быть погружен в  жидкую среду.

5. Способ  для обнаружения и/или измерения  концентрации электрических зарядов,  содержащихся в среде, с использованием:

датчика, содержащего  структуру полевого транзистора, в  состав которой входит мостик, формирующий  затвор и проходящий над активным слоем, размещенным между областями стока и истока, и которая имеет поверхность, покрытую изолирующим слоем, и зону воздушного зазора, имеющего заданную высоту, расположенную между мостиком и активным слоем или изолирующим слоем, осажденным на активном слое, при этом поверхность мостика покрыта изолирующим материалом (30), включающий подачу напряжения на затвор, приложенного к мостику, имеющего заданную величину, для создания в воздушном зазоре электрического поля Е, напряженность которого определяется как отношение между напряжением на затворе и высотой воздушного зазора, где напряженность электрического поля, созданного в воздушном зазоре, имеет величину, равную заданному пороговому значению 50000 В/см и более, которого достаточно для того, чтобы электрическое поле Е воздействовало на распределение электрических зарядов, имеющихся в среде и присутствующих в воздушном зазоре, и обеспечивало высокую чувствительность датчика, достигаемую в результате накопления электрических зарядов на активном слое; и измерение изменений в характеристике полевого транзистора, происходящих в результате накопления электрических зарядов на активном слое.

6. Способ по п.5, отличающийся  тем, что среда, содержащая  электрические заряды, относится  к группе, включающей газовые  и жидкие среды.

7. Способ по п.6, отличающийся  тем, что среда является газовой  средой, содержащей молекулы NH3.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что среда является газовой средой, содержащей молекулы NO2.

9. Способ по п.6, отличающийся  тем, что электрические заряды  являются ионами Н+, содержащимися  в жидкой среде.

10. Способ по п.5, отличающийся  тем, что включает обнаружение  и/или измерение удельной влажности газовой среды путем обнаружения и/или измерения концентрации ионов ОН-, содержащихся в этой газовой среде.

11. Способ по п.5, отличающийся  тем, что включает обнаружение  и/или измерение концентрации  дыма в газовой среде путем  обнаружения и/или измерения электрических зарядов, содержащихся в дыме и в этой газовой среде.

12. Способ по п.5, отличающийся  тем, что включает измерение  количества отрицательных электрических  зарядов в воздухе.

13. Способ по п.5, отличающийся  тем, что включает обнаружение и/или измерение степени разрежения в газовой среде путем обнаружения и/или измерения электрических зарядов, которые не удалены из этой газовой среды.

14. Способ по п.5, отличающийся  тем, что включает измерение  величины рН жидкой среды путем  измерения концентрации ионов Н+ , содержащихся в этой жидкой среде.

15. Способ по п.5, отличающийся  тем, что включает обнаружение  электрически заряженных биологических  образований, содержащихся в этой  среде.

Контактный максимальный тепловой извещатель

Чаще всего используются максимальные тепловые извещатели - устройства, выдающие сигнал тревоги при превышении заранее заданной максимально допустимой температуры. Наиболее простые устройства состоят из спаянного контакта двух проводников. При нагреве электрическая цепь разрывается, за счет чего и формируется сигнал тревоги. К извещателям этого типа относятся, в основном, приборы отечественного производства, такие как ИП-105 и аналогичные им.

Обычно  устанавливаемая в них максимальная температура составляет 75оС. В более сложных моделях используется термочувствительный полупроводниковый элемент, образующий замкнутую электрическую цепь с отрицательным температурным сопротивлением, к которой приложена определенная разность потенциалов. При повышении температуры сопротивление цепи падает и по ней начинает протекать больший ток. Величина тока контролируется, и при превышении заданного значения вырабатывается сигнал тревоги. Основными достоинствами этих приборов по сравнению с предыдущими являются более высокая скорость реагирования, а также то, что величина максимальной температуры может принимать различные значения и при выработке сигнала тревоги не происходит разрушения прибора. Обычно предлагается целая линейка таких устройств с различными температурами срабатывания — например, 60, 65, 75, 80 и 100оС.

Наиболее  быстрыми по скорости реагирования и  устойчивыми в работе являются дифференциальные тепловые извещатели. Они имеют два  термоэлемента, один из которых находится  внутри корпуса извещателя и не имеет  непосредственного контакта с окружающей средой, а второй вынесен наружу. Токи, протекающие через эти две цепи, подаются на входы дифференциального усилителя, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный разности токов на входах.

В нормальной обстановке температура внутри и снаружи практически одинакова и сигнал на выходе дифференциального усилителя мал. При возгорании ток, протекающий через внешнюю цепочку, резко возрастает, в то время как во внутренней цепи он остается практически неизменным, что приводит к дисбалансу токов и, соответственно, резкому увеличению сигнала на выходе дифференциального усилителя и формированию сигнала тревоги.

Использование внутренней термопары позволяет  исключить влияние плавных температурных  изменений, вызванных естественными  причинами, не имеющими никакого отношения к наличию пожара. Таким образом, обеспечивается наибольшая надежность работы.

Бывают  ситуации, когда использование рассмотренных  выше тепловых извещателей либо неэффективно, либо невозможно вовсе: кабельные каналы, большие производственные цеха, цистерны в нефтехимической промышленности, транспортные депо, химические реакторы и др. Во всех этих случаях необходимо использовать линейные тепловые извещатели. Работа этого типа устройств основана на использовании специального сенсорного кабеля, который представляет собой четыре медных проводника с оболочками из специального материала с отрицательным температурным коэффициентом.