Пример: Транспортная логистика
Я ищу:
На главную  |  Добавить в избранное  

Схемотехника /

Полупроводниковые датчики температуры

←предыдущая следующая→
1 2 3 4 



Скачать реферат


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 Т450 К, а кремния с p, n  1023 м-3 – при Т600 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

←предыдущая следующая→
1 2 3 4 



Copyright © 2005—2007 «Mark5»