имеют крайне низкую устойчивость к механическим воздействиям. К недостаткам германиевого термодатчика следует отнести сложность получения стабильной пленки двуокиси германия, что при разработке термодатчиков требует специальных мер по защите поверхности чувствительного элемента от окружа¬ю¬щей среды. Кроме того, из-за узкой (Ey 0,74 эВ 11 ) запрещенной зоны гер¬ма¬ний уже при Т(300…400) К становится собственным полупровод¬ником, что не позволяет использовать его при высоких температурах.
К этой же группе условно могут быть отнесены угольные термодатчики, которые по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашли широкое применение в криогенной технике. В качестве чувствительного элемента углеродных термодатчиков часто используются углеродные радиотехни¬ческие сопротивления. Для широкого интервала температур статические характе¬ристики преобразования углеродных термодатчиков предлагается представлять соотношением типа:
lnR = A/Tm + B (7),
где A, B и m – постоянные.
Это уравнение позволяет в диапазоне (3…60) К получить аппроксимацию экспериментальных данных с погрешностью не более 0,03 К 6. Углеродные термодатчики требуют индивидуальной градуировки. Они не дороги, однако в эксплуатации требуют аккуратного обращения, т.к. весьма чувствительны к меха¬ническим нагрузкам как на сам угольный элемент, так и на электрические выво¬ды, которые запрессованы в элемент.
Известны пленочные углеродные термодатчики, чувствительный элемент которых изготавливают из коллоидной суспензии графита в воде, нанесенной на тонкие стеклянные пластинки 12. Эти датчики предназначены для интервала температур (0,03…4,2) К.
В интервале (4,2…273) К используют также стеклоуглеродные термодат¬чики 12. Для изготовления их чувствительного элемента щелочно-боросили¬катное стекло подвергают выщелачиванию, удаляя из него фазу, богатую бором. Образуется пористое стекло. Поры заполняют тонко измельченным углем высо¬кой чистоты. Полученный материал после высушивания разрезают на пластины. На концы пластин в вакууме напыляют электроды. Затем пластины с выводами помещают в платиновые гильзы. Гильзы напоняют гелием и герметизируют. Статические характеристики преобразования стеклоуглеродных термодатчиков могут быть аппроксимированы уравнением (7).
В настоящее время в области практического использования никакой полупроводниковый материал не может конкурировать с кремнием по степени изученности характеристик и, особенно, по степени разработанности и осво¬ен¬ности технологии изготовления. Поскольку кремний имеет достаточно широкую (Ey 1,17 эВ 11) зону проводимости и, кроме того, интенсивное окисление поверхности кремния происходит при температурах, больших 1000 К, то на его основе могут создаваться высокотемпературные термодатчики. На основе моно¬кристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как с положи¬тельным, так и с отрицательным значением ТКС в области средних температур. Отрицательное значение ТКС получают при легировании кремния такими при¬месями, ка золото и железо, которые создают в запрещенной зоне “глубокие “ уровни, т.е. уровни, энергия активации которых близка к 0,5.Ey 13.
На основе кремния, легированного золотом, разработан термодатчик с отрицательным ТКС для измерения температуры поверхности с рабочим диапа¬зоном (273…330) К 2,14. Температурный коэффициент такого термодатчика изменяется от –8%/К при 273 К до –(2…3)%/К при 330 К. Чувствительный элемент 1 термодатчика (рис.3) в виде параллелепипеда из монокристаллического кремния нижней широкой гранью прикреплен к контактной площадке 3, нане¬сен¬ной на пластину из монокристаллического сапфира 2. Второй контакт находится на верхней грани чувствительного элемента и соединен золотыми микропро¬вод¬никами 5 с другой контактной площадкой 4. Сверху чувствительный элемент залит смолой 6. Малый рабочий диапазон таких термодатчиков объясняется тем, что с ростом температуры ТКС уменьшается пропорционально величине 1/Т2. Поскольку значение номинального сопротивления (Rн) термодатчика зависит от размеров чувствительного элемента, а при разделении пластины кремния на отдельные чувствительные элементы невозможно добиться их полной иден¬тичности, то разброс значений Rн в партии составляет 20%. Кроме того, наб¬людается разброс значений ТКС в пределах 5%, обусловленный различной сте¬пенью легирования кремния в процессе производства. Большое значение пока¬зателя тепловой инерции разработанного термодатчика (10 с) ограничивает его использование в динамике.
Расширить измеряемый температурный диапазон можно, если включить параллельно кремниевому терморезистору пассивный резистор (независящий от температуры) при питании схемы постоянным током или последовательно – при питании схемы от источника постоянного напряжения. НПО Измерительной техники г.Королев разработан кремниевый датчик ТЭ-260 2, работающий при температурах от 223 до 523 К.
Положительным значением температурного коэффициента удельного сопротивления в широком диапазоне температур обладает кремний, легиро¬ван¬ный примесями с малой энергией активации. На рис.4 показаны температурные зависимости удельного сопротивления кремния, легированного бором и фос¬фо¬ром, с различной концентрацией носителей тока 15. Видно, что область собст¬венной проводимости кремния с концентрацией носителей тока p, n 1020 м-3 начинается при температурах Т450 К, а кремния с p, n 1023 м-3 – при Т600 К. При меньших температурах и соответствующей концентрации носителей тока
Рис.3. Схема устройства кремниевого термодатчика с отрицательным ТКС.
1 – кремниевый чувствительный элемент;
2 – пластина из сапфира;
3, 4 – металлизированные контактные площадки;
5 – микропроводник;
6 – смола;
7 – выводы.
Рис. 4. Температурные зависимости удельного сопротивления кремния n- и
p-типов проводимости.
Концентрация носителей тока, м-3:
1 – 1020; 2 – 1021; 3 – 1022; 4 – 1023.
температурный коэффициент удельного сопротивления имеет положительное значение.
На базе кремниевых чувствительных элементов с положительным ТКС рядом зарубежных фирм (Volvo, Siemens (Германия), Philips (Нидерланды), ITT Components Group (Великобритания), Rodan Industries Inc, Texas Instruments (США) и др. разработано и выпускается серийно большое количество термодат¬чиков различного назначения. Чувствительные элементы этих приборов одно¬типны и представляют собой кристаллы кремния n-типа проводимости, изготов¬ленные в виде брусков или кубиков. Размеры чувствительных элементов могут несколько варьироваться для получения требуемого сопротивления.
Конечные стадии технологического процесса изготовления термодатчиков отличаются у различных фирм и зависят от предпочтительной конфигурации прибора. Общими операциями являются припаивание выводов к контактным поверхностям и герметизация чувствительных элементов смолой или стеклом. В некоторых конструкциях кремниевых датчиков брусок или пластину снабжают механи¬ческими контактами, положение которых фиксируют частично расплав¬ленной стеклянной трубкой или заливкой смолой. Луженые медные выводы присоеди¬няют к торцевым металлическим контактам. На рис.5 показаны различ¬ные конструкции таких термодатчиков. Рабочий диапазон датчиков с чувстви¬тель¬ными элементами на основе кремния n-типа чаще всего составляет интервал от 223 до 423 К. При помещении кремниевых чувствительных элементов в гер¬метичный стеклянный корпус некоторым фирмам (Volvo, Philips) удается уве¬личить верхний диапазон рабочих температур до 570 К 16,17.
Таким образом, на основе чувствительных элементов, изготовленных из монокристаллического кремния, разработаны и выпускаются серийно термодатчики с широким набором номинальных сопротивлений Rн, работающих в диапазоне температур несколько сотен Кельвина. Для датчиков этого типа харак¬терны такие недостатки, как:
- значительный разброс номинальных сопротивлений (5…10)%, выз¬ванный разбросом удельного сопротивления и размеров кристалла кремния.
Рис. 5. Конструкции термодатчиков с кремниевыми чувствительными
элементами.
1 – вывод; 2 – смола; 3 – кремниевый чувствительный элемент;
4 – никелевое покрытие; 5 – припой; 6 – стекло;
7 – молибденовый охладитель; 8 – керамика;
9 – золоченый контакт.
Уменьшение разброса значений Rн до (1…2)% достигается лишь разбраковкой чувствительных элементов;
- разброс значений ТКС, обусловленный разбросом степени легирования кремния. Уменьшение разброса значений ТКС ограничено
|
|