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 (E_y @ 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^. E_y [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 (R_н ) термодатчика зависит от размеров чувствительного элемента, а при разделении пластины кремния на отдельные чувствительные элементы невозможно добиться их полной иден­тичности, то разброс значений R_н 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 R_н , 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 R_н до (1…2)% достигается лишь разбраковкой чувствительных элементов;