применимости транзисторов в термодатчиках значительно шире, чем при использовании транзисторов по прямому назначению. Ограничение применимости со стороны высоких температур наступает вслед¬ст¬вие перехода примесного полупроводника в собственный, уменьшения пробивно¬го напряжения и повышения генерации носителей в базовой области при отрица¬тельных напряжениях. Применимость при низких температурах определяется уменьшением концентрации основных носителей из-за дезактива¬ции легирующих примесей и уменьшения коэффициента усиления по току.
Основным недостатком рассматриваемых термодатчиков является слож¬ность получения их номинальной статистической характеристики из-за разброса основных параметров транзисторов: коэффициента усиления по току, сопротив¬ления базовой области, тока утечки и др. Анализ и оценка влияния разброса ука¬занных параметров на точность измерения температуры при использовании номи¬нальной статистической характеристики, выполненные в [5], показали, что для прямых параметров транзисторов с градуировкой при одной температуре погреш¬ность измерения в схеме с общим эмиттером – не более 2 и 50% при коэффици¬енте усиления по току 30 и 200 соответственно.
Важной характеристикой для широкого внедрения термодатчиков на осно¬ве транзисторов и диодов является стабильность их параметров. Результаты ис¬сл嬬до¬вания долговременной стабильности термодатчиков на основе транзисторов с температурозависимым параметром – прямым напряжением на p-n переходе в зависимости от температуры и длительности эксплуатации, приведенные в 6 показывают, что погрешность измерения ими может составлять (0,01…0,15) К в первый год эксплуатации и (0,002…0,04) К - во второй год. Основными причина¬ми нестабильности следует считать обратимый процесс гидратации-дегидратации оксидного слоя на поверхности полупроводникового кристалла и возникновение остаточных деформаций в нем вследствие неодинаковости температурных коэф¬фициентов линейного расширения материалов деталей транзисторов [6].
4.2. Датчики температуры на основе терморезисторов.
Наиболее широкое распространение получили датчики на основе термо¬резисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан на температур¬ной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по от¬но¬шению к дестабилизирующим факторам. Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффи¬циентом сопротивления (ТКС). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 1.
Как видно из рисунка, полупроводниковые терморезистивные преобра¬зо¬ватели отличаются достаточно большой чувствительностью (на порядок и боль¬ше) нежели металлические.
Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественной промыш¬ленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными эле¬ментами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков (обычно называемых терморезисторами) является большое значение температурного коэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры [2,6,7]. В зави¬симости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы раз¬деляют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый до¬пуск по сопротивлению и ТКС (позисторы СТ5 и СТ6).
Изменяя состав материала чувствительного элемента, можно получить терморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в пределах от –6,5 до +20 %/К [7]. Номинальные сопротивления чувствительных элементов зависят от их состава и размеров и могут находиться в пределах от 1 до 106 Ом. Высокое номинальное сопротивление терморезисторов упрощает требо¬вания к системе терморегулирования, что позволяет ограничиться двухпроводной линией связи датчика с системой регулирования и уменьшает погрешность преоб¬разования, обусловленную длиной линией связи.
Зависимость сопротивления от температуры описывается выражением 6:
Рис.1. Зависимость ТКС от температуры для различных терморезисторов.
1 – металлические терморезисторы;
2 – полупроводниковые терморезисторы (термисторы);
3 - сегнетоэлектрические керамики (позисторы).
RT = Aexp(B/T), (3)
где RT – сопротивление терморезистора при температуре Т; А,В – постоянные коэффициенты, зависящие от материала терморезистора и номинального значения его сопротивления. Это соотношение обеспечивает высокую точность аппрокси¬мации только в узком диапазоне температур. Так например, для терморезисторов типа СТ4-16 погрешность аппроксимации не более 0,05 К обеспечивается только в диапазоне (15…55) С. Лучшие результаты дают уравнения типа:
RT = A1exp(B1/T + C1/T2) ; (4)
1/T = A2 + B2lgRT + C2(lgRT)3, (5)
где А1, А2, В1, В2, С1, С2 – постоянные. Уравнение (4) обеспечивает точность аппроксимации (0,2…0,4) К в интервале (-60…+100) С, а уравнение (5) – точность 0,1 К в интервале (-20…+120) С.
Чувствительные элементы изготавливают самых различных конфигураций – от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром (3…25) мм до стерж¬ней диаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые чувствительные элементы обычно заливают стеклом или помещают в стеклянные и пластмассовые корпуса. Дисковые чувствительные элементы часто защищают изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах и гермети¬зируют в металлические или пластмассовые корпуса 2.
Однако, термодатчики такого типа обладают рядом недостатков.
Температурная зависимость сопротивления носит нелинейный характер, поскольку величина ТКС в рабочем диапазоне температур изменяет свою вели¬чину, иногда даже на несколько порядков. Технология изготовления чувстви¬тель¬ных элементов не позволяет получать номинальные значения сопротивлений даже для одного типа с разбросом меньше (10…20)%. Кроме того, значения темпера¬тур¬ного коэффициента сопротивления терморезисторов одной конфигурации могут отличаться почти в два раза [7, вследствие чего отсутствует их взаимоза¬меняемость.
Но основным недостатком термометров этого типа является то, что они, несмотря на проведение в процессе изготовления искусственного старения, обладают низкой временной стабильностью и воспроизводимостью.
Значительно большей стабильностью электрофизических свойств по ставнению с аморфными веществами обладают монокристаллы. Для создания монокристаллических чувствительных элементов термометров широкое примене¬ние получили кремний и германий. В чмстом виде германий и кремний исполь¬зуются выше 20 К.
В области более низких температур наиболее часто используется леги¬ро¬ванный германий, как хорошо изученный полупроводниковый материал, техноло¬гия получения кристаллов которого хорошо отработана. При легировании герма¬ния элементами III и IV групп, такими как галлий и сурьма, являющимися мелки¬ми примесями с энергией активации порядка 0,01 эВ, можно изготавливать высо¬кочувсвительные термометры для работы в диапазоне от 1 до 40 К с погреш¬нос¬тью 0,005 К [8]. Конструкция такого термодатчика разработки ВНИИФТРИ при ведена на рис.2 [2]. Датчики выпускаются в двух модификациях в расчете на двухпроводную (рис.2а) или четырехпроводную (рис.2б) схему включения. Чувствительный элемент – тонкая пластина легированного германия 3, к которой припаяны золотые выводы 2. Чувствительный элемент помещен в мельхиоровую гильзу 4, заканчивающуюся стеклянной головкой 6 с платиновым пояском и при¬паяными через нее платиновыми выводами 7, сваренными внутри гильзы с золо¬тыми выводами от чувствительного элемента. Изнутри гильза датчика покрыта фторопластовой защитной пленкой 5, противоположный выводам конец герме¬тизирован оловянной пробкой 1. Гильза термометра заполнена газообразным гелием. Такие термометры имеют нелинейную температурную зависимость сопротивления. Их статистическая характеристика бизка к экспоненциальной и аппроксимируется полиномами вида 6:
LnR = ai(lnT)i (6),
где ai – коэффициенты.
Рис.2. Низкотемпературные датчики температуры на основе Ge.
Выбор степени полинома i зависит от требуемой точности измерения и диапазона измеряемых температур. С ростом температуры чувствительность таких термометров быстро уменьшается до уровня, меньшего чем у металлов. При этом происходит изменение сопротивления термометра от сотен мегом до десятых долей ома. Для сохранения высокой чувствительности вплоть до 300 К авторами работ [9,10] предлагается многокомпонентное легирование германия мелкими и глубокими примесями или донорными и акцепторными примесями.
Разработанные ВНИИФТРИ германиевые термодатчики обладают высокой стабильностью характеристик и широко используются в криогенной области. Однако, они имеют