Реферат: Полупроводниковые датчики температуры

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].

4.2. 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 = A₁ exp(B₁ /T + C₁ /T² ) ; (4)

1/T = A₂ + B₂ lgR_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 = S 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),