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/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 механическим нагрузкам как на сам угольный элемент, так и на электрические выводы, 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 термодатчики (12(. Для изготовления их чувствительного элемента щелочно- боросиликатное стекло подвергают выщелачиванию, удаляя из него фазу, богатую бором. Образуется пористое стекло. Поры заполняют тонко измельченным углем высокой 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 освоенности 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 монокристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в области средних температур. Отрицательное значение ТКС получают при легировании кремния такими примесями, 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 диапазоном (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, нанесенной на пластину из монокристаллического сапфира 2.
Второй контакт находится на верхней грани чувствительного элемента и соединен золотыми микропроводниками 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 идентичности, то разброс значений Rн в партии составляет (20%. Кроме того, наблюдается разброс значений ТКС в пределах 5%, обусловленный различной степенью легирования кремния в процессе производства. Большое значение показателя 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, легированный примесями с малой энергией активации. На рис.4 показаны температурные зависимости удельного сопротивления кремния, легированного бором и фосфором, с различной концентрацией носителей тока (15(. Видно, что область собственной 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 термодатчиков различного назначения. Чувствительные элементы этих приборов однотипны и представляют собой кристаллы кремния n-типа проводимости, изготовленные 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 механическими контактами, положение которых фиксируют частично расплавленной стеклянной трубкой или заливкой смолой. Луженые медные выводы присоединяют к торцевым металлическим контактам. На рис.5 показаны различные конструкции таких термодатчиков. Рабочий диапазон датчиков с чувствительными элементами на основе кремния n-типа чаще всего составляет интервал от 223 до 423 К. При помещении кремниевых чувствительных элементов в герметичный стеклянный корпус некоторым фирмам (Volvo, Philips) удается увеличить 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 характерны такие недостатки, как:

- значительный разброс номинальных сопротивлений (5…10)%, вызванный 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 возможностями современной 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.

3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры.

Улучшение характеристик полупроводниковых датчиков температуры и упрощение их конструкции может быть достигнуто при использовании чувствительных элементов, изготовленных из тонких пленок полупроводника, нанесенного 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 диффузионными кремниевыми тензорезисторами является низкий верхний предел рабочих температур, что обусловлено резким ухудшением изолирующих свойств p- n перехода при температурах более (410…430) К (18(.

Большие возможности по дальнейшему совершенствованию пленочных термодатчиков возникли с появлением в серийном производстве гетероэпитаксиальных 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, характеризующиеся 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 разработаны 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 выходного сигнала осуществлялась с помощью одного или двух термонезависимых резисторов, в зависимости от способа питания – от генератора тока или генератора напряжения (рис.6).

Для получения унифицированного выходного сигнала использован электронный преобразователь. Структурная электрическая схема датчика с чувствительным 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 балансируется внешним потенциометром (на рис. не показан) таким образом, чтобы нижнему значению t1 измеряемой температуры соответствовало начальное значение 4 мА выходного сигнала датчика. Настройкой коэффициента усиления дифференциального 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. Термонезависимый резистор R включен в цепь питания от другого стабилизированного источника постоянного тока 0,8 мА. Разность падения напряжения (U на этих резисторах, пропорциональная величине измеряемой температуры, поступает 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 измерения 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.

Страницы: 1, 2