Оптимизация ионоселективного полевого транзистора (ИСПТ) посредством мультифизического моделирования

Brianne Costa 02/07/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Что общего между брожением пива, анализом почвы и производством молочной продукции? Во всех трех областях используются ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ) для измерения водородного показателя (pH). Эти датчики имеют малый размер, высокую эффективность и длительный срок эксплуатации, что делает их идеальными для пищевой промышленности, экологии и биомедицинских приложений. Однако в ИСПТ может наблюдаться дрифт характеристик, т.к. такие транзисторы чувствительны к изменению температуры, что ограничивает их точность и стабильность работы. С помощью программного пакета COMSOL® можно точно проанализировать конструкции ИСПТ и улучшить их характеристики.

ИСПТ: области применения, преимущества и принцип работы

По структуре и принципу действия ИСПТ близки к полевым транзисторам со структурой металл — оксид — полупроводник (МОП-транзисторам) и имеют несколько преимуществ по сравнению с другими датчиками pH. Одно из них состоит в том, что ИСПТ сделаны из кремния, поэтому они более долговечны, чем остальные датчики, которые обычно изготавливаются из стекла. Это особенно целесообразно для контроля качества в пищевой промышленности, медицине, фармацевтике и экологии, где разбитое стекло загрязняет образцы и приводит к простою оборудования.

ИСПТ стойки к воздействию сильных кислот и щелочей, а также имеют небольшой размер, легкий вес, быстро работают и обладают высокой чувствительностью. Эти характеристики полезны для применений, в которых нужны портативные и производительные датчики, например:

  • Контроль над брожением пива
  • Производство молочных продуктов: молоко, сыр и йогурт
  • Анализ почвы на гербициды, химикаты и другие токсические вещества
  • Ручные приборы для обнаружения запрещенных веществ

Иллюстрация типовой конструкции ИСПТ. Схема типового ИСПТ. Автор изображения — Huijunan, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 на Викискладе. Хоть это и не показано явным образом на чертеже, черные провода проходят через желто-оранжевые изоляторы и соединены с n+ областями истока и стока.

Несмотря на множество преимуществ, у ИСПТ также имеется несколько недостатков, таких как дрифт характеристик и чувствительность к температурам. Их динамический диапазон ограничен, и они могут давать достаточно сильный шум. Кроме того, минимальное требуемое напряжение для работы ИСПТ (т.н. пороговое напряжение) может варьироваться. Эти факторы влияют на точность и стабильность работы ИСПТ и приводят к необходимости частой настройки, что делает их непригодными в качестве биосенсоров (например, для анализа ДНК) и для обработки сигналов.

Чтобы учесть эти факторы, требуется тщательно проанализировать схему работы и структуру ИСПТ, принимая во внимание химические реакции, электромагнитные и другие явления. Платформа COMSOL Multiphysics® , совместно с модулями расширения Полупроводники (Semiconductor), Микрогидродинамика (Microfluidics) или Химические реакции предоставляют все необходимые инструменты для такой разработки.

Чтобы узнать подробнее о модулях расширения для моделирования ИСПТ, ознакомьтесь с описанием семейства продуктов COMSOL® в соответствующем разделе нашего сайта.

Моделирование ИСПТ с помощью пакета COMSOL®

Рассмотрим ИСПТ, состоящий из двух областей:

  1. Полупроводник
  2. Электролит

Полупроводниковая область ИСПТ аналогична МОП-транзистору, с поправкой на то, что используется не металлический затвор, а электролитный. Область электролита содержит водород и гидроксильные ионы, а также пару типовых анионов и катионов, как показано в аналогичной модели: Модель диффузного двойного слоя.

Подробная постановка задачи, комментарии по настройке и пошаговая инструкция по сборке ИСПТ доступна в обучающем руководстве Моделирование ионоселективного полевого транзистора. Если у вас есть учетная запись COMSOL Access и действительная лицензия на программное обеспечение, вы сможете загрузить и сам MPH-файл.

Области полупроводника и электролита можно связать, предварительно расчитав отдельно каждую из них. Электрический потенциал от электролита прикладывается к оксидной поверхности на границе полупроводниковой области, а поле электрического смещения со стороны полупроводника задается на границу области электролита.

Модель COMSOL, в которой показано распределение электрического потенциала в ИСПТ.
Распределение электрического потенциала в сечении ИСПТ.

Получившаяся в результате связанная система становится нелинейной, поэтому для решения задачи потребуется провести последовательность исследований. Первые три исследования в модели проводят расчет для:

  1. Области электролита
  2. Области полупроводника
  3. Связанной системы при различных условиях работы

Затем выполняется четвертое исследование, имитирующее работу ИСПТ в нормальном режиме, когда в контуре обратной связи поддерживается постоянный ток стока. Для экономии времени этот контур необязательно моделировать явно. Вместо этого можно использовать глобальное уравнение, чтобы воссоздать влияние контура обратной связи.

Анализ результатов моделирования

Проведя исследование для области электролита вы можете увидеть электрический потенциал вдоль центра области. Результаты можно сопоставить с одномерной приближенной формулой (ссылка №1 в документации к модели). Как показано ниже, результаты расчета в ПО хорошо согласуются с одномерной аппроксимацией. Графики распределения потенциала электролита в модели ИСПТ в сравнении с одноменой упрощенной аппроксимацией.
Потенциал электролита в модели ИСПТ (сплошные кривые) и одномерная аппроксимация (пунктирные кривые).

Затем можно проанализировать работу ИСПТ в сборке. На графике слева показана характеристика ИСПТ, иллюстрирующая зависимость тока стокаот приложенного напряжения на затворе, а на графике справа — влияние трех разных значений pH на кривую зависимости тока стока от напряжения стока при фиксированном напряжении затвора. С помощью этих данных можно определить наилучшую рабочую точку для ИСПТ.

Результаты моделирования: отклик ИСПТ, когда напряжение на затворе регулирует ток стока.
Влияния трех разных значений pH на зависимость тока стока от напряжения стока.

Слева: ток стока в ИСПТ в зависимости от приложенного напряжения на затворе. Справа: ток стока при значениях pH 3, 7 и 11.

После выбора рабочей точки можно рассчитать чувствительность устройства, смоделировав ИСПТ в режиме стабилизированного тока с контуром обратной связи, как описано выше. Наклон полученной кривой для чувствительности соответствует кривой в референсной статье (ссылка №1 в документации к модели).

График чувствительности ИСПТ как датчика.
Чувствительность ИСПТ.

Используя подобную модель, инженеры могут изучать конструкции датчиков на основе ИСПТ и улучшать их характеристики для различных прикладных задач.

Дальнейшие шаги

Хотите протестировать данную модель ИСПТ? Нажмите на кнопку ниже, чтобы перейти в Библиотеку моделей и приложений. Там вы найдете подробную документацию и MPH-файл, соответствующий примеру.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта