Міжнародний інститут
Геодезія та картографія
Курсова робота
ПО Схемотехника
ТЕМА: «НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРИ»
ВИКОНАЛИ
СТУДЕНТИ ФПК 3-2
Мазіліна Е.А.
Мазілін С.В.
Москва 2001р.
ПЛАН КУРСОВОЇ РОБОТИ.
1. ВСТУП.
2. ОСНОВНІ ГАЛУЗІ ЗАСТОСУВАННЯ.
3. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Датчики температури.
4. ОСНОВНІ ТИПИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ Датчики температури.
1. Датчики температури на основі діодів і транзисторів.
2. Датчики температури на основі терморезисторів.
3. Плівкові напівпровідникові датчики температури.
5. ВИСНОВОК
6. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. ВСТУП
Стрімкий розвиток електроніки та обчислювальної техніки виявилосяпередумовою для широкої автоматизації найрізноманітніших процесів впромисловості, в наукових дослідженнях, у побуті. Реалізація цієїпередумови значною мірою визначалася можливостями пристроїв дляотримання інформації про регульованому параметрі або процесі, тобтоможливостями датчиків. Датчики, перетворюючи вимірювальний параметр увихідний сигнал, який можна виміряти та оцінити кількісно, єяк би органами почуттів сучасної техніки.
2. ОСНОВНІ ГАЛУЗІ ВИКОРИСТАННЯ
Серед широкого розмаїття вимірювальних параметрів одним зосновних є температура. Її вимір необхідно у всіх складнихтехнологічних процесах. Велика різноманітність датчиків температури,що працюють на різних фізичних принципах і виготовлених з різнихматеріалів, дозволяє вимірювати її навіть в самих важкодоступних місцях --там, де інші параметри виміряти неможливо. Так наприклад, в активнійзоні атомних реакторів встановлені тільки датчики температури, вимірюванняякої дозволяє оцінити інші теплоенергетичні параметри, такі яктиск, щільність, рівень теплоносія і т.д. [1].
У повсякденному житті, у побуті також застосовуються датчики температури,наприклад для регулювання опалення на підставі вимірювання температуритеплоносія на вході і виході, а також температури в приміщенні і зовнішньоїтемператури; регулювання температури нагріву води в автоматичнихпральних машинах; регулювання температури електроплит, електродуховок ітощо
3. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Датчики температури
Будь-датчик, в тому числі і датчик температури, може бути описанийрядом характеристик, сукупність яких дозволяє порівнювати датчикиміж
собою і цілеспрямовано вибирати датчики, найбільш відповідніконкретних завдань.
Перелічимо основні з цих характеристик [2]:
1. Функція перетворення (градуювальних характеристика) являє собою функціональну залежність її вихідної величини від вимірюваної величини: y = f (x)
(1)
Залежність представляється в іменованих величинах: y - в одиницяхвихідного сигналу або параметрах датчика, x - в одиницях вимірюваноївеличини. Для датчиків температури - Ом/(С або мВ/К.
2. Чутливість - відношення приросту вихідної величини датчика до збільшення його вхідної величини:
S = dy/dx
(2)
Для лінійної частини функції перетворення чутливість датчикапостійна. Чутливість датчика характеризує ступінь досконалостіпроцесу перетворення в ньому вимірюваної величини.
3. Поріг чутливості - мінімальна зміна значення вхідної величини, яку можна впевнено виявити. Поріг чутливості пов'язаний як з природою самої вимірюваної величини, так і з досконалістю процесу перетворення вимірюваної величини в датчику.
4. Межа перетворення - максимальне значення вимірюваної величини, яке може бути виміряна без незворотних змін в датчику в результаті робочих впливів. Верхня межа вимірювань датчика зазвичай менше межі перетворення принаймні на 10%.
5. Метрологічні характеристики - визначаються конструктивно-технологічними особливостями датчика, стабільністю властивостей застосовуваних у ньому матеріалів, особливостями процесів взаємодії датчика з вимірюваним об'єктом.
Метрологічні характеристики, у свою чергу, визначають характер івеличини похибок вимірювання датчиків. Частина похибок можуть бутивипадковими і вони враховуються методами математичної статистики.
Систематичні похибки можуть бути аналітично описані і виключені зрезультатів вимірювання.
Основними видами систематичних похибок є:
- похибки, обумовлені нелінійністю функції перетворення, що характерно для напівпровідникових датчиків температури [3];
- похибки , обумовлені варіацією функції перетворення внаслідок зміни напрямку дії вхідної величини (для датчиків температури це нагрів-охолодження);
- похибки, обумовлені невідповідністю динамічних можливостей датчика швидкості впливу вхідної величини. Може бути враховано введенням коефіцієнта термічної інерції;
- додаткові похибки, зумовлені відмінністю умов роботи датчика від тих, в яких визначалася його функція перетворення;
- похибки, обумовлені нестабільністю функції перетворення внаслідок процесів старіння матеріалу.
6. Надійність - розглядається в двох аспектах: механічна надійність і метрологічна надійність.
7. Експлуатаційні характеристики - до їх числа можуть бути віднесені: маса, габаритні розміри, споживана потужність, міцність електричної ізоляції, номінали використовуваних електричних напруг, а також стійкість до агресивних середовищ, всіляким випромінювань, іскробезпека і т.д.
8. Вартість і можливість серійного виробництва.
4. ОСНОВНІ ТИПИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ
Датчики температури
Вплив температури на електрофізичні параметри напівпровідників восновному, виявляються в зміні концентрації носіїв заряду, щоприводить до відповідної зміни електричної провідності [4]. Нацьому принципі працюють напівпровідникові терморезистори. В якостіполупровод -ників датчиків температури також використовуються діоди і транзистори, дезміна концентрації носіїв заряду призводить до зміни струму,протікає через напівпровідниковий прилад (4 (.
1. Датчики температури на основі діодів і транзисторів.
У датчики температури на основі діодів і транзисторів використовуютьзалежність параметрів pn переходу в напівпровіднику від температури.
Історично першим температурозавісімим параметром був зворотний струмдіодів і транзисторів. Значення струму зростає з температурою поекспоненціальним законом зі швидкістю близько 10%. К-1. Однак, діапазонтемператур, в межах яких можливе використання зворотних струмів,досить обмежений. Верхній температурний межа застосування визначаєтьсятемпературою їх теплового пробою.
Найбільшого поширення набуло використання прямих параметрівдіодів і транзисторів [5]. Їх істотні переваги перед зворотнимиє лінійність температурної залежності, широкий діапазон робочихтемператур, висока стабільність. Найчастіше для вимірювання температуривикористовується пряме напруга на pn перехід при майже постійному струміемітера. Зміна прямої напруги складає близько 2,5 мВ.К-1. Припідвищення температури транзисторів pnp типу напруга емітер-база зобласті позитивних значень переходить в область негативних.
Так наприклад, датчик TS-560, розроблений ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН
(м. Санкт-Петербург) являє собою напівпровідниковий діод на основіарсеніду галію. Діапазон вимірювання такого датчика (4,2 ... 500) К, основнапохибка (0,1%, чутливість (2 ... 3) мВ/К, габаритні розміри 3 (3 мм
[2].
Відомі випадки використання в якості температурозавісімогопараметра коефіцієнта посилення по струму на низьких і високих частотах [5].
Проте невисока чутливість коефіцієнта посилення до температури і йогозалежність від передісторії, а також необхідність індивідуальногоградуювання у всьому діапазоні робочих температур обмежують застосуванняцього параметра при створенні термодатчиків.
На основі транзисторів, емітерний перехід яких включений в одне зплечей моста, створені термодатчики типу ТЕТ-1, ТЕТ-2 [5]. Перший типвикористовується для вимірювання температури в польових умовах в діапазоні (-
+10 ... +40) (С з основною похибкою не більше (1 К, другий - в діапазоні (-
+40 ... +80) (С з похибкою не більше (0,3 ... 2) К.
Температурні межі застосовності транзисторів у термодатчиказначно ширше, ніж при використанні транзисторів за прямим призначенням.
Обмеження застосування з боку високих температур настає внаслідокпереходу домішкових напівпровідника у власний, зменшення пробивногонапруги та підвищення генерації носіїв у базовій області принегативних напругах. Застосування при низьких температурахвизначається зменшенням концентрації основних носіїв через дезактиваціїлегуючих домішок і зменшення коефіцієнта посилення по струму.
Основним недоліком розглянутих термодатчиків є складністьодержання їх номінальною статистичної характеристики через розкидуосновних параметрів транзисторів: коефіцієнта посилення по струму,опору базової області, струму витоку і ін Аналіз та оцінка впливурозкиду зазначених параметрів на точність виміру температури привикористанні номінальної статистичної характеристики, виконані в [5],показали, що для прямих параметрів транзисторів з градуювання при однійтемпературі похибка вимірювання в схемі з загальним емітером - не більше 2 і
50% при коефіцієнті підсилення по струму ((30 і ((200 відповідно.
Важливою характеристикою для широкого впровадження термодатчиків на основітранзисторів та діодів є стабільність їх параметрів. Результатидослідження довготривалої стабільності термодатчиків на основітранзисторів з температурозавісімим параметром - прямим напругою на pnперехід в залежності від температури та тривалості експлуатації,наведені в (6 (показують, що похибка вимірювання ними можескладати (0,01 ... 0,15) К в перший рік експлуатації і (0,002 ... 0,04) К - удругий рік. Основними причинами нестабільності слід вважати оборотнийпроцес гідратації-дегідратації оксидного шару на поверхнінапівпровідникового кристала і виникнення залишкових деформацій у ньомувнаслідок неоднаковості температурних коефіцієнтів лінійного розширенняматеріалів деталей транзисторів [6].
2. Датчики температури на основі терморезисторів.
Найбільш широке поширення одержали датчики на основітерморезисторів. Принцип терморезістівного перетворення заснований натемпературної залежності активного опору металів, сплавів інапівпровідників, що мають високу відтворюваність і достатньоїстабільністю по відношенню до дестабілізуючим чинникам. Температурнучутливість термометричної матеріалу прийнято характеризуватитемпературним коефіцієнтом опору (ТКС). Типові випадки поведінкитермометричні залежності представлені на рис. 1.
Як видно з малюнка, напівпровідникові терморезістівниеперетворювачі відрізняються досить великою чутливістю (на порядокі більше) ніж металеві.
Досить давно розроблені і випускаються вітчизняноїпромисловістю напівпровідникові датчики температури з чутливимиелементами, створеними на основі оксидів перехідних металів з неповністюзаповненої 3d електронної оболонкою. Перевагою таких датчиків (зазвичайзваних терморезистор) є велике значення температурногокоефіцієнта опору і порівняно малі розміри [2,6,7]. УЗалежно від застосовуваного напівпровідникового матеріалу терморезисториподіляють на кобальто-марганцеві (КМТ і СТ1), мідно-марганцеві (ММТ і
Ст2), мідно-кобальтові (Ст3 і СТ4) і титано-барієві, що мають малий допускз опору і ТКС (позістори СТ5 і СТ6).
Змінюючи склад матеріалу чутливого елемента, можна отриматитерморезистори як з позитивним, так і з негативним значенням ТКС вмежах від -6,5 до 20%/К [7]. Номінальні опору чутливихелементів залежать від їх складу та розмірів і можуть бути в межах від
1 до 106 Ом. Висока номінальний опір терморезисторів спрощуєвимоги до системи терморегулювання, що дозволяє обмежитисядвопровідної лінією зв'язку датчика з системою регулювання і зменшуєпохибка перетворення, обумовлену довжиною лінією зв'язку.
Залежність опору від температури описується виразом (6 (:
Рис.1. Залежність ТКС від температури для різних терморезисторів.
1 - металеві терморезистори;
2 - напівпровідникові терморезистори (термістори);
3 - сегнетоелектричних кераміки (позістори).
RT = Aexp (B/T ),
(3)де RT - опір терморезистор при температурі Т; А, В - постійнікоефіцієнти, що залежать від матеріалу терморезистор і номінального значенняйого опору. Це співвідношення забезпечує високу точністьапроксимації тільки у вузькому діапазоні температур. Так наприклад, длятерморезисторів типу СТ4-16 похибка апроксимації не більше (0,05 Кзабезпечується тільки в діапазоні (15 ... 55) (С. Кращі результати даютьрівняння типу:
RT = A1exp (B1/T + C1/T2);
(4)
1/T = A2 + B2lgRT + C2 ( lgRT) 3,
(5)де А1, А2, В1, В2, С1, С2 - постійні. Рівняння (4) забезпечуєточність апроксимації ((0,2 ... 0,4) К в інтервалі (-60 ... +100) (С, а рівняння
(5) - точність (0,1 К в інтервалі (-20 ... +120) (С.
Чутливі елементи виготовляють самих різних конфігурацій --від намистин діаметром 0,2 мм, дисків і шайб діаметром (3 ... 25) мм до стрижнівдіаметром 12 і довжиною до 40 мм. Бусінковие чутливі елементи звичайнозаливають склом або поміщають у скляні та пластикові корпуси.
Дискові чутливі елементи часто захищають ізоляційними плівками злаку або епоксидних смол, монтують на металевих пластинах ігерметизують в металеві або пластмасові корпусу (2 (.
Однак, термодатчики такого типу мають ряд недоліків.
Температурна залежність опору носить нелінійний характер,оскільки величина ТКС в робочому діапазоні температур змінює своювеличину, іноді навіть на кілька порядків. Технологія виготовленнячутливих елементів не дозволяє отримувати номінальні значенняопорів навіть для одного типу з розкидом менше (10 ... 20)%. Крім того,значення температурного коефіцієнта опору терморезисторів однієїконфігурації можуть відрізнятися майже в два рази [7 (, внаслідок чоговідсутній їх взаємозамінність.
Але основним недоліком термометрів цього типу є те, що вони,незважаючи на проведення в процесі виготовлення штучного старіння,володіють низькою тимчасової стабільністю і відтворюваністю.
Значно більшою стабільністю електрофізичних властивостей поставненію з аморфними речовинами мають монокристали. Для створеннямонокристалічних чутливих елементів термометрів широке застосуванняотримали кремній і германій. У чмстом вигляді германій та кремній використовуютьсявище 20 К.
В області більш низьких температур найбільш часто використовуєтьсялегований германій, як добре вивчений напівпровідниковий матеріал,технологію одержання кристалів якого добре відпрацьована. При легуваннінімеччина елементами III і IV груп, такими як галій і сурма, які єдрібними домішками з енергією активації порядку 0,01 еВ, можна виготовлятивисокочувсвітельние термометри для роботи в діапазоні від 1 до 40 К зпохибкою 0,005 К [8]. Конструкція такого термодатчика розробки
ВНИИФТРИ при ведена на рис.2 [2]. Датчики випускаються в двох модифікаціях врозрахунку на двохпровідні (рис.2) чьотирьох (ріс.2б) схемувключення. Чутливий елемент - тонка пластина легованого германію
3, до якої припаяні золоті висновки 2. Чутливий елемент поміщений вмельхіоровому гільзу 4, що закінчується скляній головкою 6 з платиновимпояском і пріпаянимі через неї платиновими висновками 7, звареними всерединігільзи з золотими висновками від чутливого елемента. Зсередини гільзадатчика покрита фторопластовою захисною плівкою 5, протилежний висновківкінець герметизований олов'яної пробкою 1. Гільза термометра заповненагазоподібним гелієм. Такі термометри мають нелінійну температурнузалежність опору. Їх статистична характеристика бізка доекспоненційної і апроксимується поліномами виду (6 (:
LnR = (ai (lnT) i
(6),де ai - коефіцієнти.
Рис.2. Низькотемпературні датчики температури на основі Ge.
Вибір ступеня полінома i залежить від необхідної точності вимірювання ідіапазону вимірюваних температур. Зі зростанням температури чутливістьтаких термометрів швидко зменшується до рівня, меншого ніж у металів.
При цьому відбувається зміна опору термометра від сотень мегом додесятих часток ома. Для збереження високої чутливості аж до 300 Кавторами робіт [9,10] пропонується багатокомпонентне легування німеччинадрібними і глибокими домішками або донорних і акцепторні домішками.
Розроблені ВНИИФТРИ германієвих термодатчики мають високустабільністю характеристик і широко використовуються у кріогенній області.
Однак, вони мають украй низьку стійкість до механічних впливів. Донедоліків германієвих термодатчика слід віднести складність отриманнястабільною плівки двоокису германію, що при розробці термодатчиківвимагає спеціальних заходів для захисту поверхні чутливого елемента віднавколишнього середовища. Крім того, з-за вузької (Ey (0,74 еВ (11 () забороненоїзони германій вже при Т ((300 ... 400) До стає власним напівпровідником,що не дозволяє використовувати його при високих температурах.
До цієї ж групи умовно можуть бути віднесені вугільні термодатчики,які за характером провідності займають проміжне положення міжметалами і напівпровідниками, але володіють високим негативним ТКС і знайшлишироке застосування в кріогенної техніки. В якості чутливогоелемента вуглецевих термодатчиків часто використовуються вуглецевірадіотехнічні опору. Для широкого інтервалу температурстатичні характеристики перетворення вуглецевих термодатчиківпропонується представляти співвідношенням типу: lnR = A/Tm + B
(7),де A, B і m - постійні.
Це рівняння дозволяє в діапазоні (3 ... 60) До отримати апроксимаціюекспериментальних даних з похибкою не більше (0,03 К (6 (. Вуглецевітермодатчики вимагають індивідуального градуювання. Вони не дорогі, однак уексплуатації вимагають обережного поводження, тому що дуже чутливі домеханічних навантажень як на сам вугільний елемент, так і на електричнівисновки, які запресовані в елемент.
Відомі плівкові вуглецеві термодатчики, чутливий елементяких виготовляють з колоїдної суспензії графіту у воді, нанесеної натонкі скляні пластинки (12 (. Ці датчики призначені для інтервалутемператур (0,03 ... 4,2) К.
В інтервалі (4,2 ... 273) До використовують також стеклоуглеродниетермодатчики (12 (. Для виготовлення їх чутливого елемента лучно -боросилікатне скло піддають вилуговування, видаляючи з нього фазу,багату бором. Утворюється пористе скло. Пори заповнюють тонкоподрібненим вугіллям високої чистоти. Отриманий матеріал після висушуваннярозрізають на пластини. На кінці пластин у вакуумі напилюють електроди. Потімпластини з висновками поміщають в платинові гільзи. Гільзи напоняют гелієм ігерметизують. Статичні характеристики перетворення стеклоуглероднихтермодатчиків можуть бути апроксимувати рівнянням (7).
В даний час в області практичного використання ніякоїнапівпровідниковий матеріал не може конкурувати з кремнієм за ступенемвивченості характеристик і, особливо, за ступенем розробленості іосвоєння технології виготовлення. Оскільки кремній має достатньошироку (Ey (1,17 еВ (11 () зону провідності і, крім того, інтенсивнеокислення поверхні кремнію відбувається при температурах, великих 1000 К,то на його основі можуть створюватися високотемпературні термодатчики. Наоснові монокристалічного кремнію можна виготовляти термодатчики як зпозитивним, так і з негативним значенням ТКС в області середніхтемператур. Негативне значення ТКС одержують при легуванні кремніютакими домішками, но золото й залізо, які створюють у забороненій зоні
"Глибокі" рівні, тобто рівні, енергія активації яких близька до 0,5. Ey
(13 (.
На основі кремнію, легованого золотом, розроблений термодатчик знегативним ТКС для вимірювання температури поверхні з робочимдіапазоном (273 ... 330) К (2,14 (. Температурний коефіцієнт такоготермодатчика змінюється від -8%/К при 273 К до - (2 ... 3)%/К при 330 К.
Чутливий елемент 1 термодатчика (мал. 3) у вигляді паралелепіпеда змонокристалічного кремнію нижній широкої гранню прикріплений до контактноїмайданчику 3, нанесеної на пластину з монокристалічного сапфіра 2.
Другий контакт знаходиться на верхній межі чутливого елемента із'єднаний золотими мікропроводнікамі 5 з іншою контактною майданчиком 4.
Зверху чутливий елемент залитий смолою 6. Малий робочий діапазон такихтермодатчиків пояснюється тим, що зі зростанням температури ТКС зменшуєтьсяпропорційно величині 1/Т2. Оскільки значення номінальногоопору (Rн) термодатчика залежить від розмірів чутливогоелементу, а при поділі пластини кремнію на окремі чутливіелементи неможливо домогтися їх повної ідентичності, то розкид значень Rнв партії становить (20%. Крім того, спостерігається розкид значень ТКС вмежах 5%, обумовлений різним ступенем легування кремнію впроцесі виробництва. Велике значення показника теплової інерціїрозробленого термодатчика ((10 с) обмежує його використання вдинаміці.
Розширити вимірюваний температурний діапазон можна, якщо включитипаралельно кремнієвому терморезистор пасивний резистор (незалежний відтемператури) при живленні схеми постійним струмом або послідовно - прихарчуванні схеми від джерела постійної напруги. НВО Вимірювальноїтехніки м. Корольов розроблений кремнієвий датчик ТЕ-260 (2 (, що працює притемпературах від 223 до 523 К.
Позитивним значенням температурного коефіцієнта питомоїопору в широкому діапазоні температур має кремній, легованийдомішками з малою енергією активації. На рис.4 показані температурнізалежності питомого опору кремнію, легованого бором іфосфором, з різною концентрацією носіїв струму (15 (. Видно, що областьвласної провідності кремнію з концентрацією носіїв струму p, n (1020м-3 починається при температурах Т (450 К, а кремнію з p, n (1023 м-3 - при
Т (600 К. При менших температурах і відповідної концентрації носіївструму
Рис.3. Схема пристрою кремнієвого термодатчика з негативним ТКС.
1 - кремнієвий чутливий елемент;
2 - пластина з сапфіру;
3, 4 - металізовані контактні площадки;
5 - мікропроводнік;
6 - смола;
7 - висновки.
Рис. 4. Температурні залежності питомого опору кремнію n -і p-типів провідності.
Концентрація носіїв струму, м-3:
1 - 1020; 2 - 1021; 3 - 1022; 4 - 1023.
температурний коефіцієнт питомого опору має позитивнезначення.
На базі кремнієвих чутливих елементів з позитивним ТКС поручзарубіжних фірм (Volvo, Siemens (Німеччина), Philips (Нідерланди), ITT
Components Group (Великобританія), Rodan Industries Inc, Texas Instruments
(США) та ін розроблено і випускається серійно велику кількістьтермодатчиків різного призначення. Чутливі елементи цих приладіводнотипні і являють собою кристали кремнію n-типу провідності,виготовлені у вигляді брусків або кубиків. Розміри чутливих елементівможуть дещо варіюватися для одержання необхідного опору.
Кінцеві стадії технологічного процесу виготовлення термодатчиківвідрізняються у різних фірм і залежать від кращою конфігураціїприладу. Загальними операціями є пріпаіваніе висновків до контактнихповерхнях і герметизація чутливих елементів смолою чи склом. Удеяких конструкціях кремнієвих датчиків брусок або пластину постачаютьмеханічними контактами, положення яких фіксують частковорозплавленої скляною трубкою або заливанням смолою. Лудіння мідні висновкиприєднують до торцевих металевим контактам. На рис.5 показанірізні конструкції таких термодатчиків. Робочий діапазон датчиків зчутливими елементами на основі кремнію n-типу найчастіше складаєінтервал від 223 до 423 К. При приміщенні кремнієвих чутливих елементів в герметичний скляний корпус деяким фірмам (Volvo, Philips) вдаєтьсязбільшити верхній діапазон робочих температур до 570 К (16,17 (.
Таким чином, на основі чутливих елементів, виготовлених змонокристалічного кремнію, розроблені і випускаються серійнотермодатчики з широким набором номінальних опорів Rн, що працюють вдіапазоні температур кілька сотень Кельвіна. Для датчиків цього типухарактерні такі недоліки, як:
- значний розкид номінальних опорів (5 ... 10)%, викликаний розкидом питомого опору і розмірів кристала кремнію.
Рис. 5. Конструкції термодатчиків з кремнієвими чутливими
елементами.
1 - висновок; 2 - смола; 3 - кремнієвий чутливийелемент;
4 - нікелеве покриття; 5 - припой; 6 - скло;
7 - молібденовий охолоджувач; 8 - кераміка;
9 - позолочений контакт.
Зменшення розкиду значень Rн до (1 ... 2)% досягається лише разбраковкойчутливих елементів;
- розкид значень ТКС, обумовлений розкидом ступеня легування кремнію. Зменшення розкиду значень ТКС обмежено можливостями сучасної технології;
- досить велике значення показника термічну інерцію через необхідність розміщення напівпровідникових чутливих елементів у корпусах для їх захисту від навколишнього середовища і забезпечення електричної ізоляції від об'єкта.
Крім того, процес складання термодатчиків такого типу важко піддаєтьсяавтоматизації і, як правило, здійснюється з використанням великої часткиручної праці.
3. Плівкові напівпровідникові датчики температури.
Поліпшення характеристик напівпровідникових датчиків температури іспрощення їх конструкції може бути досягнуто при використаннічутливих елементів, виготовлених з тонких плівок напівпровідника,нанесеного на напівпровідникову або діелектричну підкладку. Виготовленнятаких датчиків здійснюється масовими методами планарної технології,які забезпечують отримання значень номінальних опорів здостатньо високою точністю і, крім того, дозволяють використовувати привиготовленні лазерні методи підгонки номінальних опорів.
Основним недоліком датчиків на основі автоепітаксіальних структур
«Кремній на кремнії», а також на основі чутливих елементів здифузійними кремнієвими Тензорезистори є низький верхня межаробочих температур, що обумовлено різким погіршенням ізолюючих властивостей p -n переходу при температурах більше (410 ... 430) К (18 (.
Великі можливості для подальшого вдосконалення плівковихтермодатчиків виникли з появою в серійному виробництвігетероепітаксіальних структур «кремній на сапфірі» (КНС), якіявляють собою тонку (від часток до декількох мікрометрів) плівкумонокристалічного кремнію, вирощену на підкладці змонокристалічного сапфіра (19 (. Використання структур КНС дозволяєстворювати термодатчики, що характеризуються поєднанням переваг датчиків змонокристалічний і плівковими кремнієвими чутливими елементами.
Застосування монокристалічний плівки кремнію для виготовленнятерморезисторів забезпечує підвищену стабільність характеристиктермодатчиків. Гарні ізолюючі властивості сапфіра аж до температурблизько 1300 До дозволяють створювати термодатчики, верхня межа робочихтемператур яких, в принципі, обмежений тільки фізичними властивостямикремнію. Високий коефіцієнт теплопровідності сапфіра сприяє зниженнюпоказника теплової інерції термодатчика.
В даний час на основі чутливих елементів з КНС-структуррозроблено ряд термодатчиків. Так датчик температури ТЕЕ-295, розробленийв НВО вимірювальної техніки м. Корольов, працює в діапазоні температур від
73 до 473 К і має головну похибка 0,25% (2 (.
У Державному науковому центрі «НІІТЕПЛОПРІБОР» були розробленіаналогічні датчики з термочутливих елементами ТЕ-1 і ПЕ-2,що працюють у діапазоні температур від 73 до 723 К і мають похибку
0,25% і вихідний сигнал (4 ... 20) мА (20 (. У цих датчиках лінеаризаціявихідного сигналу здійснювалася за допомогою одного або двох термонезавісімихрезисторів, залежно від способу живлення - від генератора струму абогенератора напруги (рис.6).
Для отримання уніфікованого вихідного сигналу використанийелектронний перетворювач. Структурна електрична схема датчика зчутливим елементом моделі ПЕ-2 з двома терморезистор, в якувключені два термонезавісімих резистора, показана на рис.6. Мостова схемаживиться від стабілізованої джерела постійної напруги 4В.
Інформативний сигнал у вигляді різниці напруг (U на вимірювальноїдіагоналі моста, пропорційний зміні опорівтермочутливих резисторів, надходить на вхід диференціальногопідсилювача електронного перетворювача датчика і перетвориться встандартний сигнал постійного струму (4 ... 20) мА.
Рис.6. Структурна електрична схема датчика температури з двома
(а) і одним (б) терморезистор.
У діапазоні вимірювання температур від t1 до t2 термочутливий містбалансується зовнішнім потенціометром (на рис. не показаний) таким чином,щоб нижньому значенню t1 вимірюваної температури відповідало початковезначення 4 мА вихідного сигналу датчика. Настроювання коефіцієнтів підсиленнядиференціального підсилювача датчика забезпечується відповідність величини 20мА вихідного сигналу значенням t2 верхньої межі вимірювань температури.
На рис. 6б показана електрична схема датчика температури,реалізована на базі чутливого елемента ТЕ-1 з однимтерморезисторів. У цьому випадку терморезистор R (t) разом з лінеарізующімшунтом R (включені в ланцюг живлення від стабілізованої джерелапостійного струму 0,8 мА. Термонезавісімий резистор R включений в ланцюг харчуваннявід іншого стабілізованої джерела постійного струму 0,8 мА. Різницяпадіння напруги (U на цих резисторів, пропорційна величинівимірюваної температури, надходить на вхід диференціального підсилювачадатчика і потім перетвориться в стандартний вихідний сигнал постійногоструму (4 ... 20) мА.
5. ВИСНОВОК
Аналіз літературних джерел дозволяє зробити висновок про все більшширокому використанні в системах регулювання напівпровідникових датчиківтемператури, різноманітність яких дозволяє вирішити безліч складних завдань.
, Що з'явилися останнім часом датчики на ізолюючих підкладках типу КНС -структур дозволяють у багатьох специфічних випадках замінити традиційніметалеві (наприклад платинові) датчики і тим самим здешевити виміруі підвищити надійність систем.
6. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Трофимов Н.А., Лаппо В.В. Вимірювання параметрів теплофізичних процесів в ядерній енергетиці .- М.: Атомиздат, 1979.
2. Датчики теплофізичних і механічних параметрів. Довідник, т.1, кн.1/Под общ.ред. Коптєва Ю.М., під ред. Багдатьева О.Є.,
гориш А.В., Малкова Я.В. - М.: ІПЖР, 1998.
3. Віглеб Г. Датчики. М.: Світ, 1989.
4. Федотов Я.А. Основи фізики напівпровідникових приладів. М.:
Сов.радіо, 1969.
5. Фогельсон І.Б. Транзисторні термодатчики. М.: Сов.радіо, 1972.
6. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Іванова А.Г. Основи температурних вимірювань. М.: Энергоатомиздат, 1992.
7. Шефтель І.Т. Терморезистор. М.: Наука, 1973.
8. Орлова М.П. Низькотемпературна термометрія. М.: Ізд.стандартов,
1975.
9. Зарубін Л.І., Неміш Ю.І. Напівпровідникова кріогенна термометрія.
Огляд в кн. Напівпровідникова техніка та мікроелектроніка. Київ:
Наукова думка, 1974, вип.16.
10. Вайнберг В.В., Воробкало Ф.М., Зарубін Л.І. Напівпровідниковий матеріал для термометрів опору на діапазон (14 ... 300) К.
Напівпровідникова техніка та мікроелектроніка, Київ, 1979, вип.30.
11. Зи С. Фізика напівпровідникових приладів. Кн.1, М.: Світ, 1984.
12. Велшек Я. Вимірювання низьких температур електричними методами.
М.: Енергія, 1980.
13. Мілнс А. Домішки з глибокими рівнями в напівпровідниках. М.: Мир,
1977.
14. Соколова А.А., Смирнов М.І., Ларіонов І.Б. Високочутливі датчики температури з кремнію, легованого золотом. -В кн.
Вдосконалення засобів і методик вимірювання температури при стендових випробуваннях виробів. Тези галузевого семінару.
Загорськ, 1978.
15. Silicon temperature sensors .- Electron.Appl.News, 1982, v.19, № 2.
16. Raabe G. Silizium temperatursensoren 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. Папко В.С., Цибульник М. Б. епітаксиальні кремнієві шари на діелектричних підкладках і прилади на їх основі. М.: Енергія,
1979.
20. Суханова Н.Н., Суханов В.І., Юровский А. Я. Напівпровідникові термоперетворювачі з розширеним діапазоном робочих температур.
Датчики і системи, № 7, 8, 1999.
