Полупроводниковые датчики температуры

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО СХЕМОТЕХНИКЕ

ТЕМА: «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ»

ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТЫ ФПК 3-2

Мазилина Е.А.

Мазилин С.В.

Москва 2001г.

ПЛАН КУРСОВОЙ РАБОТЫ.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ.

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ.

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ.

   1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов.

   2. Датчики температуры на основе терморезисторов.

   3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказа­лось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпо­сылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получе­ния информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах – там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активной зоне атом­ных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой поз­воляет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плот­ность, уровень теплоносителя и т.д. [1].

В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических сти­ра­льных машинах; регулирование температуры электроплит, электродуховок и т.п.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между

собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.

Перечислим основные из этих характеристик [2]:

1. Функция преобразования (градуировочная характеристика) представ­ляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины:

y = f(x) (1)

Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x – в единицах измеряемой вели­чины. Для датчиков температуры – Ом/С или мВ/К.

2. Чувствительность – отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины:

S = dy/dx (2)

Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительност датчика характеризует степень совершенства про­цесса преобразования в нем измеряемой величины.

3. Порог чувствительности – минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.

4. Предел преобразования – максимальное значение измеряемой величи­ны, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в резуль­тате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10%.

5. Метрологические характеристики – определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряе­мым объектом.

Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. Система­тические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из резуль­татов измерения.

Основными видами систематических погрешностей являются:

• погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры [3];

• погрешности, обусловленные вариацией функции преобразования вследствие изменения направления действия входной величины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);

• погрешности, обусловленные несоответствием динамических воз­можностей датчика скорости воздействия входной величины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;

• дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобра­зования;

• погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобра­зо­вания вследствие процессов старения материала.

6. Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надеж­ность и метрологическая надежность.

7. Эксплуатационные характеристики – к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.

8. Стоимость и возможность серийного производства.

2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что при­водит к соответствующему изменению электрической проводимости [4]. На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качестве полупровод­-

никовых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протека­ю­щего через полупроводниковый прибор 4.

1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов.

В датчиках температуры на основе диодов и транзисторов используют зависимость параметров p-n перехода в полупроводнике от температуры.

Исторически первым температурозависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с температурой по экспонен­ци­альному закону со скоростью порядка 10%^.К^-1. Однако, диапазон температур, в пределах которых возможно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.

Наибольшее распространение получило использование прямых параметров диодов и транзисторов [5]. Их существенными преимуществами перед обратными являются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочих температур, высокая стабильность. Чаще всего для измерения температуры ис­пользуется прямое напряжение на p-n переходе при почти постоянном токе эмит­тера. Изменение прямого напряжения составляет порядка 2,5 мВ^.К^-1. При повы­шении температуры транзисторов p-n-p типа напряжение эмиттер-база из области положительных значений переходит в область отрицательных.

Так например, датчик TS-560, разработанный ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург) представляет собой полупроводниковый диод на основе ар­сенида галлия. Диапазон измерения такого датчика (4,2…500) К, основная пог­реш­ность 0,1%, чувствительность (2…3) мВ/К, габаритные размеры 33 мм [2].

Известны случаи использования в качестве температурозависимого пара­метра коэффициента усиления по току на низких и высоких частотах [5]. Однако невысокая чувствительность коэффициента усиления к температуре и его зависи­мость от предыстории, а также необходимость индивидуальной градуировки во всем диапазоне рабочих температур ограничивают применение этого параметра при создании термодатчиков.

На основе транзисторов, эмиттерный переход которых включен в одно из плеч моста, созданы термодатчики типа ТЭТ-1, ТЭТ-2 [5]. Первый тип исполь­зу­ется для измерения температуры в полевых условиях в диапазоне (-10…+40) С с основной погрешностью не более 1 К, второй – в диапазоне (-40…+80) С с погрешностью не более (0,3…2) К.

Температурные пределы применимости транзисторов в термодатчиках значительно шире, чем при использовании транзисторов по прямому назначению. Ограничение применимости со стороны высоких температур наступает вслед­ст­вие перехода примесного полупроводника в собственный, уменьшения пробивно­го напряжения и повышения генерации носителей в базовой области при отрица­тельных напряжениях. Применимость при низких температурах определяется уменьшением концентрации основных носителей из-за дезактива­ции легирующих примесей и уменьшения коэффициента усиления по току.

Основным недостатком рассматриваемых термодатчиков является слож­ность получения их номинальной статистической характеристики из-за разброса основных параметров транзисторов: коэффициента усиления по току, сопротив­ления базовой области, тока утечки и др. Анализ и оценка влияния разброса ука­занных параметров на точность измерения температуры при использовании номи­нальной статистической характеристики, выполненные в [5], показали, что для прямых параметров транзисторов с градуировкой при одной температуре погреш­ность измерения в схеме с общим эмиттером – не более 2 и 50% при коэффици­енте усиления по току 30 и 200 соответственно.

Важной характеристикой для широкого внедрения термодатчиков на осно­ве транзисторов и диодов является стабильность их параметров. Результаты ис­сле­­до­вания 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 причина­ми нестабильности следует считать обратимый процесс гидратации-дегидратации оксидного слоя на поверхности полупроводникового кристалла и возникновение остаточных деформаций в нем вследствие неодинаковости температурных коэф­фициентов линейного расширения материалов деталей транзисторов [6].

2. Датчики температуры на основе терморезисторов.

Наиболее широкое распространение получили датчики на основе термо­резисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан на температур­ной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по от­но­шению к дестабилизирующим факторам. Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффи­циентом сопротивления (ТКС). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 1.

Как видно из рисунка, полупроводниковые терморезистивные преобра­зо­ватели отличаются достаточно большой чувствительностью (на порядок и боль­ше) нежели металлические.

Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественной промыш­ленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными эле­ментами, 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 зави­симости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы раз­деляют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый до­пуск 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 требо­вания к системе терморегулирования, что позволяет ограничиться двухпроводной линией связи датчика с системой регулирования и уменьшает погрешность преоб­разования, 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).

R_T = Aexp(B/T), (3)

где R_T – сопротивление терморезистора при температуре Т; А,В – постоянные коэффициенты, зависящие от материала терморезистора и номинального значения его сопротивления. Это соотношение обеспечивает высокую точность аппрокси­мации 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:

R_T = A₁exp(B₁/T + C₁/T²) ; (4)

1/T = A₂ + B₂lgR_T + C₂(lgR_T)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 стерж­ней 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 гермети­зируют 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 вели­чину, иногда даже на несколько порядков. Технология изготовления чувстви­тель­ных элементов не позволяет получать номинальные значения сопротивлений даже для одного типа с разбросом меньше (10…20)%. Кроме того, значения темпера­тур­ного коэффициента сопротивления терморезисторов одной конфигурации могут отличаться почти в два раза [7, вследствие чего отсутствует их взаимоза­меняемость.

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 примене­ние получили кремний и германий. В чмстом виде германий и кремний исполь­зуются выше 20 К.

В области более низких температур наиболее часто используется леги­ро­ванный германий, как хорошо изученный полупроводниковый материал, техноло­гия получения кристаллов которого хорошо отработана. При легировании герма­ния элементами III и IV групп, такими как галлий и сурьма, являющимися мелки­ми примесями с энергией активации порядка 0,01 эВ, можно изготавливать высо­кочувсвительные термометры для работы в диапазоне от 1 до 40 К с погреш­нос­тью 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 при­паяными через нее платиновыми выводами 7, сваренными внутри гильзы с золо­тыми выводами от чувствительного элемента. Изнутри гильза датчика покрыта фторопластовой защитной пленкой 5, противоположный выводам конец герме­тизирован 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 =  a_i(lnT)ⁱ (6),

где a_i – 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 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 окружа­ю­щей среды. Кроме того, из-за узкой (E_y  0,74 эВ 11 ) запрещенной зоны гер­ма­ний уже при Т(300…400) К становится собственным полупровод­ником, 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 радиотехни­ческие сопротивления. Для широкого интервала температур статические характе­ристики преобразования углеродных термодатчиков предлагается представлять соотношением типа:

lnR = A/T^m + 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