Полупроводниковые датчики температуры

ограничено возможностями сов¬ременной технологии;

- достаточно большое значение показателя термической инерции из-за необходимости размещения полупроводниковых чувствительных элементов в корпусах для их защиты от окружающей среды и обеспечения электрической изоляции от объекта.

Кроме того, процесс сборки термодатчиков такого типа трудно поддается автоматизации и, как правило, осуществляется с использованием большой доли ручного труда.

4.3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры.

Улучшение характеристик полупроводниковых датчиков температуры и упрощение их конструкции может быть достигнуто при использовании чувстви¬тельных элементов, изготовленных из тонких пленок полупроводника, нанесен¬ного на полупроводниковую или диэлектрическую подложку. Изготовление таких датчиков осуществляется массовыми методами планарной технологии, которые обеспечивают получение значений номинальных сопротивлений с достаточно высокой точностью и, кроме того, позволяют использовать при изготовлении лазерные методы подгонки номинальных сопротивлений.

Основным недостатком датчиков на основе автоэпитаксиальных структур «кремний на кремнии», а также на основе чувствительных элементов с диффу¬зи¬онными кремниевыми тензорезисторами является низкий верхний предел рабочих температур, что обусловлено резким ухудшением изолирующих свойств p-n пе¬рехода при температурах более (410…430) К 18.

Большие возможности по дальнейшему совершенствованию пленочных термодатчиков возникли с появлением в серийном производстве гетероэпитакси¬альных структур «кремний на сапфире» (КНС), которые представляют собой тонкую (от долей до нескольких микрометров) пленку монокристаллического кремния, выращенную на подложке из монокристаллического сапфира 19. Использование структур КНС позволяет создавать термодатчики, характеризу¬ющиеся сочетанием достоинств датчиков с монокристаллическими и пленочными кремниевыми чувствительными элементами. Применение монокристаллической пленки кремния для изготовления терморезисторов обеспечивает повышенную стабильность характеристик термодатчиков. Хорошие изолирующие свойства сапфира вплоть до температур около 1300 К позволяют создавать термодатчики, верхний предел рабочих температур которых, в принципе, ограничен только физическими свойствами кремния. Высокий коэффициент теплопроводности сапфира способствует снижению показателя тепловой инерции термодатчика.

В настоящее время на основе чувствительных элементов из КНС-структур разработан ряд термодатчиков. Так датчик температуры ТЭЭ-295, разработанный в НПО измерительной техники г.Королев, работает в диапазоне температур от 73 до 473 К и имеет основную погрешность 0,25% 2.

В Государственном научном центре «НИИТЕПЛОПРИБОР» были раз¬ра¬ботаны аналогичные датчики с термочувствительными элементами ТЭ-1 и ТЭ-2, работающие в диапазоне температур от 73 до 723 К и имеющие погрешность 0,25% и выходной сигнал (4…20) мА 20. В этих датчиках линеаризация выход¬ного сигнала осуществлялась с помощью одного или двух термонезависимых резисторов, в зависимости от способа питания – от генератора тока или гене¬ра¬тора напряжения (рис.6).

Для получения унифицированного выходного сигнала использован элек¬тронный преобразователь. Структурная электрическая схема датчика с чувстви¬тельным элементом модели ТЭ-2 с двумя терморезисторами, в которую включены два термонезависимых резистора, показана на рис.6а. Мостовая схема питается от стабилизированного источника постоянного напряжения 4В. Информативный сигнал в виде разности напряжений U на измерительной диагонали моста, пропорциональный изменению сопротивлений термочувствительных резисторов, поступает на вход дифференциального усилителя электронного преобразователя датчика и преобразуется в стандартный сигнал постоянного тока (4…20) мА.

Рис.6. Структурная электрическая схема датчика температуры с двумя (а) и

одним (б) терморезисторами.

В диапазоне измерения температур от t1 до t2 термочувствительный мост ба¬лан¬сируется внешним потенциометром (на рис. не показан) таким образом, чтобы нижнему значению t1 измеряемой температуры соответствовало начальное зна¬чение 4 мА выходного сигнала датчика. Настройкой коэффициента усиления диф¬ференциального усилителя датчика обеспечивается соответствие величины 20 мА выходного сигнала значению t2 верхнего предела измерений температуры.

На рис. 6б показана электрическая схема датчика температуры, реализованная на базе чувствительного элемента ТЭ-1 с одним терморезистором. В этом случае терморезистор R(t) вместе с линеаризующим шунтом R включены в цепь питания от стабилизированного источника постоянного тока 0,8 мА. Тер¬мо¬независимый резистор R включен в цепь питания от другого стабилизи¬рован¬ного источника постоянного тока 0,8 мА. Разность падения напряжения U на этих резисторах, пропорциональная величине измеряемой температуры, посту¬пает на вход дифференциального усилителя датчика и затем преобразуется в стандартный выходной сигнал постоянного тока (4…20) мА.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о все более широком использовании в системах регулирования полупроводниковых датчиков температуры, разнообразие которых позволяет решить множество сложных задач. Появившиеся в последнее время датчики на изолирующих подложках типа КНС-структур позволяют во многих специфических случаях заменить традиционные металлические (например платиновые) датчики и тем самым удешевить изме¬ре¬ния и повысить надежность систем.

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трофимов Н.А., Лаппо В.В. Измерение параметров теплофизических процессов в ядерной энергетике.- М.: Атомиздат, 1979.

2. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник, т.1, кн.1/ Под общ.ред. Коптева Ю.Н., под ред. Багдатьева Е.Е., Гориша А.В., Малкова Я.В.- М.: ИПЖР, 1998.

3. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989.

4. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. М.: Сов.радио, 1969.

5. Фогельсон И.Б. Транзисторные термодатчики. М.: Сов.радио, 1972.

6. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. М.: Энергоатомиздат, 1992.

7. Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973.

8. Орлова М.П. Низкотемпературная термометрия. М.: Изд.стандартов, 1975.

9. Зарубин Л.И., Немиш Ю.И. Полупроводниковая криогенная термометрия. Обзор в кн. Полупроводниковая техника и микроэлектроника. Киев: Наукова думка, 1974, вып.16.

10. Вайнберг В.В., Воробкало Ф.М., Зарубин Л.И. Полупроводниковый материал для термометров сопротивления на диапазон (14…300) К. Полупроводниковая техника и микроэлектроника, Киев, 1979, вып.30.

11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1, М.: Мир, 1984.

12. Велшек Я. Измерение низких температур электрическими методами. М.: Энергия, 1980.

13. Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М.: Мир, 1977.

14. Соколова А.А., Смирнов Н.И., Ларионов И.Б. Высокочувствительные датчики температуры из кремния, легированного золотом. –В кн. Совершенствование средств и методики измерения температуры при стендовых испытаниях изделий. Тезисы отраслевого семинара. Загорск, 1978.

15. Silicon temperature sensors.- Electron.Appl.News, 1982, v.19, №2.

16. Raabe G. Silizium temperatur sensoren von –50 C his 350 C – NTG – Faahber, 1982, №79.

17. Entre –55 C et 300 C penser au copteur de temperature silizium composauts.- Techniques d`applications mesures – 15, №4, 1985.

18. Mallon I., Germantion D. Advances in high temperature solid pressure transducers – Adv. In Instrum., 1970, v.25, part 2.

19. Папков В.С., Цыбульников М.Б. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. М.: Энергия, 1979.

20. Суханова Н.Н., Суханов В.И., Юровский А.Я. Полупроводниковые термопреобразователи с расширенным диапазоном рабочих температур. Датчики и системы, №7, 8, 1999.