Реферат: Полупроводниковые датчики температуры

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.

4. 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].

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.