Senzori PTAT de înaltă temperatură cu diode Schottky pe SiC pentru monitorizare și securitate în medii industriale ostile

Coordonat de: Gheorghe Brezeanu

Alți membri ai departamentului implicați în acest proiect: Cornel Andronache, Nicoleta Brănişteanu, Florin Drăghici, Florin Mitu, Gheorghe Pristavu,

Persoane din afara departamentului implicate în acest proiect:

Marian Bădilă, CS I, Andrei Enache, drd.

Descriere:

Proiect nr. 275PED ⁄ 2020 (UPB: EL07-20-02)

Coordonator Proiect – Universitatea POLITEHNICA Bucureşti
Partener P1 - INCD de MICROTEHNOLOGII - IMT Bucureşti
Partener P2 - S.C. CEPROCIM, S.A, Bucureşti
Partener P3 - S.C. HEIDELBERGCEMENT ROMANIA, S.A, Bucureşti

Obiectivele generale ale proiectului

• Proiectarea, fabricarea și caracterizarea de senzori performanți de înaltă temperatură (model experimental), ce cuprinde:
  • Diode Schottky pe carbură de siliciu (SiC), cu rol de element termosensibil.
  • Circuit de polarizare, achiziție, prelucrare și conversie a semnalului dat de diode.
• Dezvoltarea unei tehnologii robuste de încapsulare pentru elementul termosensibil (structuri de diode specializate pentru măsurători diferențiale).
• Dezvoltarea unei metode facile de caracterizare și stabilirea criteriilor de clasificare pentru diodele Schottky pe SiC fabricate în funcție de gamele de temperatură și polarizare optime.
• Incorporarea senzorilor în carcase standard pentru sonde industriale și asigurarea compatibilității cu sistemele de achiziție prezente într-o fabrică de ciment, permițându-se astfel integrarea completă pe linia de producție.
• Validarea funcționalității modelului experimental în laborator și condiții reale de lucru, atingându-se cel puțin TRL 4.
• Elaborarea de brevete pentru metode, produse, procese și tehnologii originale, obținute în cadrul proiectului. Diseminarea rezultatelor la conferințe și jurnale de specialitate.

Etapa 1. Senzori de tip PTAT (proporțional cu temperatura absolută) cu diode Schottky pe SiC și circuit de procesare. Condiții de lucru în medii ostile pentru monitorizarea temperaturii și securitate.

Etapa I, derulată în 2020, este focalizată pe analiza condiţiilor de lucru ale senzorilor de temperaturi înalte pentru medii ostile. Se propun variante specifice pentru arhitectura şi tehnologia diodelor Schottky pe SiC și circuitele de achiziție și prelucrare a semnalului de la ieșirea senzorului.

Etapa II - Model experimental pentru senzorul PTAT de înaltă temperatură. Teste preliminare în medii ostile a sistemului-senzor cu diode Schottky pe SiC și circuite de polarizare și procesare.

Etapa II, derulată în 2021, are ca obiectiv central modelul experimental pentru un senzor PTAT capabil să opereze până la 400°C şi a circuitului de interfaţare. Activităţile prevăzute în această etapă sunt următoarele:
2.1 Proiectarea, simularea şi implementarea practică a circuitului de achiziţie, prelucrare şi conversie a semnalului dat de senzor.
2.2 Proiectarea si implementarea măştilor fotolitografice potrivit fluxului tehnologic stabilit la activitatea 1.2. Fabricare de structuri îmbunatăţite de diode Schottky
2.3 Teste preliminare ale senzorilor la diferite temperaturi. Investigaţii microfizice ale diodelor post-test (XRD, SEM, STM, AFM). Comparaţie între tehnicile de detectie. Dezvoltarea subansamblelor pentru senzorul de temperatură industrial.
2.4 Stabilirea metodelor optime de detectie a temperaturii si imbunatatiri ale procesului tehnologic.Fabricare de structuri imbunatatite de diode Schottky
2.5 Stabilirea domeniilor de funcţionare şi sortarea dispozitivelor fabricate în funcţie de gama de temperatura. Determinarea conditiilor de polarizare optimă
2.6 Încapsularea structurilor senzor tip diode Schottky. Tehnici de lipire. Compatibilitate electrică, mecanică şi termică.
2.7 Proiectarea, simularea şi implementarea circuitului de polarizare pentru diodele Schottky fabricate pe SiC şi finalizarea ansamblului de polarizare și procesare a semnalului dat de senzor. Asamblarea modelului experimental pentru senzorul de temperatura (diodele Schottky fabricate pe SiC cu circuitele de polarizare si prelucrare a semnalului).

Toate activităţile menţionate au fost finalizate. Din cele 4 tehnici de evaluare a temperaturii, cu senzori bazaţi pe măsurarea tensiunii directe la curent constant, la bornele unei diode Schottky (D1V şi D1C), respectiv pe electrozii a două dispozitive de acelaşi tip (D2C şi D2A), în etapa II s-a selectat, pe baza mai multor criterii, metoda optimă D1C. Conform acestei tehnici o diodă-senzor este polarizată succesiv la curenți diferiți, mărimea purtătoare de informație fiind, diferenţa tensiunilor directe (∆VF) asociate celor doi curenţi. În acest caz s-a demonstrat că variaţia ∆VF (T) asigură cea mai bună liniaritate și este crescătoare în temperatură. Pentru acest senzor PTAT în acestă etapă a proiectului s-a finalizat modelul experimental.
De asemenea, pentru familia aleasă de senzori PTAT se proiectează și simulează, circuite specifice de interfațare, pentru polarizarea dispozitivului detector și respectiv, pentru achiziția, prelucrarea și conversia semnalului de la ieșirea senzorului. Setul de specificații care stau la baza procesului de proiectare,permite integrarea ansamblului sensor- circuit de intefațare, într-un mediu industrial (la partenerii P2 şi P3).
Arhitectură nouă implementată pentru circuitul de polarizare al diodei senzor are ca element central o sursă de curent programabilă digital şi controlată printr-un microcontroller. Circuitul de interfaţare cuprinde şi partea de achiziție, amplificare și conversie a semnalului de la ieșirea senzorului.Microcontrollerul este partea cea mai sensibilă a circuitului de interfaţare, fiind sistemul care se ocupă de controlul polarizării, de conversia analog-digitală și de conversia digital-analogică.

Etapa III. Sonde de temperaturi înalte cu diode senzor pe SiC. Validare in medii ostile (TRL 4)

Etapa III, derulată în 2022, a avut ca obiectiv realizarea unei sonde de temperatură (în fapt, un senzor inteligent), testată să funcţioneze în medii ostile. Sonda are în componenţă: o dioda Schottky pe SiC, proiectată să opereaze ca un detector PTAT şi un circuit de interfaţare şi prelucrare pentru care s-a conceput o arhitectură originală (care face obiectul unei cerei de brevet de invenţie).Toate activităţile din Planul de realizare a proiectului, prevăzute pentru pentru această etapă, au fost finalizate.

Au fost fabricate două loturi de diode Schottky senzor. Pentru obținerea unei bariere Schottky mici, s-a utilizat un strat subțire de Ti, iar pentru o barieră Schottky de valoare mare,(necesară în aplicațiile de temperatură ridicată) s-a utilizat Ni. Caracteristicile directe ale diodelor pe SiC, arată, pentru ambele contacte Schottky, o creştere exponenţială a curentului cu tensiunea, pe minimum 10 ordine de mărime. Tensiunea de deschidere a diodelor cu Ni este mai mare cu circa 0.5V în raport cu structurile cu Ti, datorită diferenței de barieră Schottky.De aceea,diodele metalizate cu Ni pot funcționa ca senzori la temperaturi, cu cel puțin 200°C, mai ridicate.

Circuitul de interfaţare este prin structura noi topologii un sistem analogic-digital. Microcontrolerul, blocul central, conferă atributul inteligent sondei de temperatură. Are multiple funcţii: controlul polarizării senzorului, conversia analog-digitală şi respectiv digital- analogică, memorarea valorilor captate de la convertoare. Pentru fiecare măsurătoare, folosind datele stocate într-un registru, microcontrolerul trimite informația unui potențiometru digital, de modificare a curentului prin dioda senzor.

Funcţionalitatea modelului experimental al sondei de temperatură (senzorul inteligent) a fost testată în laborator (TRL4) în diferite condiţii. S-au efectuat experimente cu mai multe diode Schottky senzor. Caracterizarea s-a finalizat prin calibrarea sondei în intervalul 0 - 400°C și verificarea dependenţei liniare a mărimii de ieşire de temperatură.

 

Rezultatele proiectului aici.