трусики женские украина

На головну

Напівпровідникові датчики температури - Схемотехніка

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Геодезія та картографія

Курсова робота

ПО схемотехніки

ТЕМА: «Напівпровідникові датчики температури»

ВИКОНАЛИ СТУДЕНТИ ФПК 3-2

Мазіліна Е.А.

Мазілін С.В.

Москва 2001р.

ПЛАН КУРСОВОЇ РОБОТИ.

ВСТУП.

ОСНОВНІ ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ.

ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Датчики температури.

ОСНОВНІ ТИПИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ Датчики температури.

Датчики температури на основі діодів і транзисторів.

Датчики температури на основі терморезисторів.

Плівкові напівпровідникові датчики температури.

ВИСНОВОК

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. ВСТУП

Стрімкий розвиток електроніки та обчислювальної техніки виявилося передумовою для широкої автоматизації найрізноманітніших процесів в промисловості, в наукових дослідженнях, в побуті. Реалізація цієї передумови значною мірою визначалася можливостями пристроїв для отримання інформації про регульований параметр або процес, тобто можливостями датчиків. Датчики, перетворюючи вимірювальний параметр в вихідний сигнал, який можна виміряти і оцінити кількісно, ??є ніби органами почуттів сучасної техніки.

ОСНОВНІ ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ

Серед широкого розмаїття вимірювальних параметрів одним з основних є температура. Її вимір необхідно у всіх складних технологічних процесах. Велика розмаїтість датчиків температури, що працюють на різних фізичних принципах і виготовлених з різних матеріалів, дозволяє вимірювати її навіть в самих важкодоступних місцях - там, де інші параметри виміряти неможливо. Так наприклад, в активній зоні атомних реакторів встановлені тільки датчики температури, вимір якої дозволяє оцінити інші теплоенергетичні параметри, такі як тиск, щільність, рівень теплоносія і т.д. [1].

У повсякденному житті, в побуті також застосовуються датчики температури, наприклад для регулювання опалення на підставі вимірювання температури теплоносія на вході і виході, а також температури в приміщенні і зовнішньої температури; регулювання температури нагріву води в автоматичних пральних машинах; регулювання температури електроплит, електродуховок і т.п.

ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Датчики температури

Будь датчик, в тому числі і датчик температури, може бути описаний рядом характеристик, сукупність яких дозволяє порівнювати датчики між

собою і цілеспрямовано вибирати датчики, найбільш відповідні конкретним завданням.

Перелічимо основні з цих характеристик [2]:

Функція перетворення (градуировочная характеристика) є функціональну залежність її вихідної величини від вимірюваної величини:

y = f (x) (1)

Залежність представляється в іменованих величинах: y - в одиницях вихідного сигналу чи параметрах датчика, x - в одиницях вимірюваної величини. Для датчиків температури - Ом / ° С або мВ / К.

Чутливість - ставлення збільшення вихідної величини датчика до збільшенню його вхідний величини:

S = dy / dx (2)

Для лінійної частини функції перетворення чутливість датчика постійна. Чутливість датчика характеризує ступінь досконалості процесу перетворення в ньому вимірюваної величини.

Поріг чутливості - мінімальне зміна значення вхідної величини, яке можна впевнено виявити. Поріг чутливості пов'язаний як з природою самої вимірюваної величини, так і з досконалістю процесу перетворення вимірюваної величини в датчику.

Межа перетворення - максимальне значення вимірюваної величини, яке може бути виміряна без незворотних змін в датчику в результаті робочих впливів. Верхня межа вимірювань датчика зазвичай менше межі перетворення принаймні на 10%.

Метрологічні характеристики - визначаються конструктивно-технологічними особливостями датчика, стабільністю властивостей застосовуваних у ньому матеріалів, особливостями процесів взаємодії датчика з вимірюваним об'єктом.

Метрологічні характеристики, в свою чергу, визначають характер і величини похибок вимірювання датчиків. Частина похибок можуть бути випадковими і вони враховуються методами математичної статистики. Систематичні похибки можуть бути аналітично описані і виключені з результатів вимірювання.

Основними видами систематичних похибок є:

похибки, зумовлені нелінійністю функції перетворення, що характерно для напівпровідникових датчиків температури [3];

похибки, зумовлені варіацією функції перетворення внаслідок зміни напрямку дії вхідної величини (для датчиків температури це нагрів-охолодження);

похибки, зумовлені невідповідністю динамічних можливостей датчика швидкості впливу вхідної величини. Може бути враховано введенням коефіцієнта термічної інерції;

додаткові похибки, зумовлені відмінністю умов роботи датчика від тих, в яких визначалася його функція перетворення;

похибки, зумовлені нестабільністю функції перетворення внаслідок процесів старіння матеріалу.

Надійність - розглядається в двох аспектах: механічна надійність і метрологічна надійність.

Експлуатаційні характеристики - до їх числа можуть бути віднесені: маса, габаритні розміри, споживана потужність, міцність електричної ізоляції, номінали використовуваних електричних напруг, а також стійкість до агресивних середовищ, всіляким випромінювань, іскробезпека і т.д.

Вартість і можливість серійного виробництва.

ОСНОВНІ ТИПИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ

Датчики температури

Вплив температури на електрофізичні параметри напівпровідників в основному виявляється у зміні концентрації носіїв заряду, що призводить до відповідної зміни електричної провідності [4]. На цьому принципі працюють напівпровідникові терморезистори. В якості полупровод-

ників датчиків температури також використовуються діоди і транзистори, де зміна концентрації носіїв заряду призводить до зміни струму, що протікає через напівпровідниковий прилад ?4?.

Датчики температури на основі діодів і транзисторів.

У датчиках температури на основі діодів і транзисторів використовують залежність параметрів pn переходу в напівпровіднику від температури.

Історично першим температурозависимого параметром був зворотний струм діодів і транзисторів. Значення струму зростає з температурою по експонентному закону зі швидкістю порядку 10% .До-1. Однак, діапазон температур, в межах яких можливе використання зворотних струмів, дуже обмежений. Верхній температурний межа застосування визначається температурою їх теплового пробою.

Найбільшого поширення набуло використання прямих параметрів діодів і транзисторів [5]. Їх суттєвими перевагами перед зворотними є лінійність температурної залежності, широкий діапазон робочих температур, висока стабільність. Найчастіше для вимірювання температури використовується пряме напруга на pn переході при майже постійному струмі емітера. Зміна прямого напруги становить близько 2,5 мВ.К-1. При підвищенні температури транзисторів pnp типу напруга емітер-база з області позитивних значень переходить в область негативних.

Так наприклад, датчик TS-560, розроблений ФТІ ім. А.Ф.Иоффе РАН (м.Санкт-Петербург) являє собою напівпровідниковий діод на основі арсеніду галію. Діапазон вимірювання такого датчика (4,2 ... 500) К, основна похибка ?0,1%, чутливість (2 ... 3) мВ / К, габаритні розміри 3?3 мм [2].

Відомі випадки використання в якості температурозависимого параметра коефіцієнта посилення по струму на низьких і високих частотах [5]. Однак невисока чутливість коефіцієнта посилення до температури і його залежність від передісторії, а також необхідність індивідуального градуювання у всьому діапазоні робочих температур обмежують застосування цього параметра при створенні термодатчиків.

На основі транзисторів, емітерний перехід яких включений в одне з плечей моста, створені термодатчики типу ТЕТ-1, ТЕТ-2 [5]. Перший тип використовується для вимірювання температури в польових умовах в діапазоні (-10 ... + 40) ° С з основною похибкою не більше ?1 К, другий - в діапазоні (-40 ... + 80) ° С з похибкою не більше (0,3 ... 2) К.

Температурні межі застосовності транзисторів в термодатчиков значно ширше, ніж при використанні транзисторів за прямим призначенням. Обмеження застосовності з боку високих температур настає внаслідок переходу примесного напівпровідника у власний, зменшення пробивної напруги та підвищення генерації носіїв у базовій області при негативних напругах. Застосовність при низьких температурах визначається зменшенням концентрації основних носіїв через дезактивації легуючих домішок і зменшення коефіцієнта посилення по струму.

Основним недоліком розглянутих термодатчиків є складність отримання їх номінальною статистичної характеристики через розкиду основних параметрів транзисторів: коефіцієнта посилення по струму, опору базової області, струму витоку та ін. Аналіз та оцінка впливу розкиду зазначених параметрів на точність вимірювання температури при використанні номінальною статистичної характеристики, виконані в [5], показали, що для прямих параметрів транзисторів з градуювання при одній температурі похибка вимірювання в схемі з загальним емітером - не більше 2 і 50% при коефіцієнті посилення по струму ??30 і ??200 відповідно.

Важливою характеристикою для широкого впровадження термодатчиків на основі транзисторів і діодів є стабільність їх параметрів. Результати дослідження довготривалої стабільності термодатчиків на основі транзисторів з температурозависимого параметром - прямим напругою на pn переході в залежності від температури і тривалості експлуатації, наведені в ?6? показують, що похибка вимірювання ними може складати (0,01 ... 0,15) К в перший рік експлуатації і (0,002 ... 0,04) К - у другий рік. Основними причинами нестабільності слід вважати оборотний процес гідратації-дегідратації оксидного шару на поверхні напівпровідникового кристала і виникнення залишкових деформацій у ньому внаслідок неоднаковості температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів деталей транзисторів [6].

Датчики температури на основі терморезисторів.

Найбільш широкого поширення набули датчики на основі терморезисторів. Принцип терморезистивного перетворення заснований на температурної залежності активного опору металів, сплавів і напівпровідників, що володіють високою відтворюваністю і достатньою стабільністю по відношенню до дестабілізуючих чинників. Температурну чутливість термометричного матеріалу прийнято характеризувати температурним коефіцієнтом опору (ТКС). Типові випадки поведінки термометрической залежності представлені на рис. 1.

Як видно з малюнка, напівпровідникові терморезистивних перетворювачі відрізняються досить великий чутливістю (на порядок і більше) ніж металеві.

Досить давно розроблені і випускаються вітчизняною промисловістю напівпровідникові датчики температури із чутливими елементами, створеними на основі оксидів перехідних металів з неповністю заповненою 3d електронної оболонкою. Перевагою таких датчиків (зазвичай званих терморезисторами) є велике значення температурного коефіцієнта опору і порівняно малі розміри [2,6,7]. У залежності від застосовуваного напівпровідникового матеріалу терморезистори поділяють на кобальто-марганцеві (КМТ і СТ1), мідно-марганцеві (ММТ і СТ2), мідно-кобальтові (СТ3 і СТ4) і титано-барієві, що мають малий допуск по опору і ТКС (позістори СТ5 і СТ6).

Змінюючи склад матеріалу чутливого елемента, можна отримати терморезистори як з позитивним, так і з негативним значенням ТКС в межах від -6,5 до +20% / К [7]. Номінальні опору чутливих елементів залежать від їх складу і розмірів і можуть перебувати в межах від 1 до 106Ом. Висока номінальний опір терморезисторів спрощує вимоги до системи терморегулювання, що дозволяє обмежитися двухпроводной лінією зв'язку датчика з системою регулювання і зменшує похибка перетворення, зумовлену довжиною лінією зв'язку.

Залежність опору від температури описується виразом ?6?:

Рис.1. Залежність ТКС від температури для різних терморезисторів.

1 - металеві терморезистори;

2 - напівпровідникові терморезистори (термістори);

3 - сегнетоелектрічеськие кераміки (позістори).

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

де RT- опір терморезистора при температурі Т; А, В - постійні коефіцієнти, залежать від матеріалу терморезистора і номінального значення його опору. Це співвідношення забезпечує високу точність апроксимації лише у вузькому діапазоні температур. Так наприклад, для терморезисторів типу СТ4-16 похибка апроксимації не більше ?0,05 До забезпечується тільки в діапазоні (15 ... 55) ° С. Кращі результати дають рівняння типу:

RT = A1exp (B1 / T + C1 / T2); (4)

1 / T = A2 + B2lgRT + C2 (lgRT) 3, (5)

де А1, А2, В1, В2, С1, С2 постійні. Рівняння (4) забезпечує точність апроксимації ? (0,2 ... 0,4) К в інтервалі (-60 ... + 100) ° С, а рівняння (5) - точність ?0,1 К в інтервалі (-20 ... + 120 ) ° С.

Чутливі елементи виготовляють найрізноманітніших конфігурацій - від намистин діаметром 0,2 мм, дисків і шайб діаметром (3 ... 25) мм до стрижнів діаметром 12 і довжиною до 40 мм. Бусінковие чутливі елементи зазвичай заливають склом або поміщають в скляні та пластмасові корпусу. Дискові чутливі елементи часто захищають ізоляційними плівками з лаку або епоксидних смол, монтують на металевих пластинах і герметизують в металеві або пластмасові корпусу ?2?.

Однак, термодатчики такого типу мають ряд недоліків.

Температурна залежність опору носить нелінійний характер, оскільки величина ТКС у робочому діапазоні температур змінює свою величину, іноді навіть на кілька порядків. Технологія виготовлення чутливих елементів не дозволяє отримувати номінальні значення опорів навіть для одного типу з розкидом менше (10 ... 20)%. Крім того, значення температурного коефіцієнта опору терморезисторів однієї конфігурації можуть відрізнятися майже в два рази [7?, внаслідок чого відсутня їх взаємозамінність.

Але основним недоліком термометрів цього типу є те, що вони, незважаючи на проведення в процесі виготовлення штучного старіння, мають низьку тимчасової стабільністю і відтворюваністю.

Значно більшою стабільністю електрофізичних властивостей по ставнению з аморфними речовинами мають монокристали. Для створення монокристалічних чутливих елементів термометрів широке застосування отримали кремній і германій. У чмстом вигляді германій і кремній використовуються вище 20 К.

В області більш низьких температур найбільш часто використовується легований германій, як добре вивчений напівпровідниковий матеріал, технологія отримання кристалів якого добре відпрацьована. При легуванні германію елементами III і IV груп, такими як галій і сурма, які є дрібними домішками з енергією активації порядку 0,01 еВ, можна виготовляти високочувсвітельние термометри для роботи в діапазоні від 1 до 40 К з похибкою 0,005 До [8]. Конструкція такого термодатчика розробки ВНИИФТРИ при ведена на рис.2 [2]. Датчики випускаються в двох модифікаціях в розрахунку на двухпроводную (рис.2) або чьотирьох (рис.2б) схему включення. Чутливий елемент - тонка пластина легованого германію 3, до якої припаяні золоті висновки 2. Чутливий елемент поміщений в мельхіорову гільзу 4, що закінчується скляною головкою 6 з платиновим паском і припаянности через неї платиновими висновками 7, звареними всередині гільзи із золотими висновками від чутливого елемента. Зсередини гільза датчика покрита фторопластовою захисною плівкою 5, протилежний висновків кінець герметизирован олов'яної пробкою 1. Гільза термометра заповнена газоподібним гелієм. Такі термометри мають нелінійну температурну залежність опору. Їх статистична характеристика Бізко до експоненційною і апроксимується поліномами виду ?6?:

LnR = ? ai (lnT) i (6),

де ai- коефіцієнти.

Рис.2. Низькотемпературні датчики температури на основі Ge.

Вибір ступеня полінома i залежить від необхідної точності вимірювання та діапазону вимірюваних температур. З ростом температури чутливість таких термометрів швидко зменшується до рівня, меншого ніж у металів. При цьому відбувається зміна опору термометра від сотень мегом до десятих часток ома. Для збереження високої чутливості аж до 300 К авторами робіт [9,10] пропонується багатокомпонентне легування германію дрібними і глибокими домішками або донорними і акцепторними домішками.

Розроблені ВНИИФТРИ германієві термодатчики мають високої стабільністю характеристик і широко використовуються в кріогенної області. Однак, вони мають вкрай низьку стійкість до механічних впливів. До недоліків германієвого термодатчика слід віднести складність отримання стабільної плівки двоокису германію, що при розробці термодатчиков вимагає спеціальних заходів щодо захисту поверхні чутливого елемента від навколишнього середовища. Крім того, через вузької (Ey? 0,74 еВ ?11?) забороненої зони германій вже при Т? (300 ... 400) До стає власним напівпровідником, що не дозволяє використовувати його при високих температурах.

До цієї ж групи умовно можуть бути віднесені вугільні термодатчики, які за характером провідності займають проміжне положення між металами і напівпровідниками, але володіють високим негативним ТКС і знайшли широке застосування в кріогенної техніки. В якості чутливого елемента вуглецевих термодатчиків часто використовуються вуглецеві радіотехнічні опору. Для широкого інтервалу температур статичні характеристики перетворення вуглецевих термодатчиків пропонується представляти співвідношенням типу:

lnR = A / Tm + B (7),

де A, B і m - постійні.

Це рівняння дозволяє в діапазоні (3 ... 60) До отримати апроксимацію експериментальних даних з похибкою не більше ?0,03 До ?6?. Вуглецеві термодатчики вимагають індивідуального градуювання. Вони не дорогі, проте в експлуатації вимагають обережного поводження, тому вельми чутливі до механічних навантажень як на сам вугільний елемент, так і на електричні висновки, які запресовані в елемент.

Відомі плівкові вуглецеві термодатчики, чутливий елемент яких виготовляють з колоїдної суспензії графіту у воді, нанесеної на тонкі скляні пластинки ?12?. Ці датчики призначені для інтервалу температур (0,03 ... 4,2) К.

В інтервалі (4,2 ... 273) До використовують також стеклоуглеродние термодатчики ?12?. Для виготовлення їх чутливого елемента лужно-боросилікатне скло піддають вилуговування, видаляючи з нього фазу, багату бором. Утворюється пористе скло. Пори заповнюють тонко подрібненим вугіллям високої чистоти. Отриманий матеріал після висушування розрізають на пластини. На кінці пластин у вакуумі напилюють електроди. Потім пластини з висновками поміщають в платинові гільзи. Гільзи напоняют гелієм і герметизують. Статичні характеристики перетворення стеклоуглеродних термодатчиков можуть бути апроксимовані рівнянням (7).

В даний час в області практичного використання ніякої напівпровідниковий матеріал не може конкурувати з кремнієм за ступенем вивченості характеристик і, особливо, за ступенем розробленості і освоєності технології виготовлення. Оскільки кремній має досить широку (Ey? 1,17 еВ ?11?) зону провідності і, крім того, інтенсивне окислення поверхні кремнію відбувається при температурах, великих 1000 К, то на його основі можуть створюватися високотемпературні термодатчики. На основі монокристалічного кремнію можна виготовляти термодатчики як з позитивним, так і з негативним значенням ТКС в області середніх температур. Негативне значення ТКС отримують при легуванні кремнію такими домішками, ка золото і залізо, які створюють у забороненій зоні "глибокі" рівні, тобто рівні, енергія активації яких близька до 0,5.Ey?13?.

На основі кремнію, легованого золотом, розроблений термодатчик з негативним ТКС для вимірювання температури поверхні з робочим діапазоном (273 ... 330) До ?2,14?. Температурний коефіцієнт такого термодатчика змінюється від -8% / К при 273 К до - (2 ... 3)% / К при 330 К. Чутливий елемент 1 термодатчика (рис.3) у вигляді паралелепіпеда з монокристалічного кремнію нижньої широкої гранню прикріплений до контактної майданчику 3, нанесеної на пластину з монокристалічного сапфіру 2. Другий контакт перебуває на верхній грані чутливого елемента і з'єднаний золотими мікропроводнікамі 5 з іншого контактної майданчиком 4. Зверху чутливий елемент залитий смолою 6. Малий робочий діапазон таких термодатчиків пояснюється тим, що з ростом температури ТКС зменшується пропорційно величині 1 / Т2. Оскільки значення номінального опору (Rн) термодатчика залежить від розмірів чутливого елемента, а при поділі пластини кремнію на окремі чутливі елементи неможливо домогтися їх повної ідентичності, то розкид значень Rнв партії становить ?20%. Крім того, спостерігається розкид значень ТКС в межах 5%, обумовлений різним ступенем легування кремнію в процесі виробництва. Велике значення показника теплової інерції розробленого термодатчика (?10 с) обмежує його використання в динаміці.

Розширити вимірюваний температурний діапазон можна, якщо включити паралельно кремниевому терморезистору пасивний резистор (незалежний від температури) при харчуванні схеми постійним струмом або послідовно - при харчуванні схеми від джерела постійної напруги. НВО вимірювальної техніки г.Королев розроблений кремнієвий датчик ТЕ-260 ?2?, що працює при температурах від 223 до 523 К.

Позитивним значенням температурного коефіцієнта питомого опору в широкому діапазоні температур має кремній, легований домішками з малої енергією активації. На рис.4 показані температурні залежності питомого опору кремнію, легованого бором і фосфором, з різною концентрацією носіїв струму ?15?. Видно, що область власної провідності кремнію з концентрацією носіїв струму p, n ? 1020м-3начінается при температурах Т?450 К, а кремнію з p, n ? 1023м-3- при Т?600 К. При менших температурах і відповідної концентрації носіїв струму

Рис.3. Схема пристрою кремнієвого термодатчика з негативним ТКС.

1 - кремнієвий чутливий елемент;

2 - пластина з сапфіру;

3, 4 - металізовані контактні площадки;

5 - мікропроводнік;

6 - смола;

7 - висновки.

Рис. 4. Температурні залежності питомого опору кремнію n- і

p-типів провідності.

Концентрація носіїв струму, м-3:

1 - 1020; 2 - 1021; 3 - 1022; 4 - 1023.

температурний коефіцієнт питомого опору має позитивне значення.

На базі кремнієвих чутливих елементів з позитивним ТКС поруч зарубіжних фірм (Volvo, Siemens (Німеччина), Philips (Нідерланди), ITT Components Group (Великобританія), Rodan Industries Inc, Texas Instruments (США) та ін. Розроблено і випускається серійно велику кількість термодатчиков різного призначення. Чутливі елементи цих приладів однотипні і є кристали кремнію n-типу провідності, виготовлені у вигляді брусків або кубиків. Розміри чутливих елементів можуть кілька варіюватися для отримання необхідного опору.

Кінцеві стадії технологічного процесу виготовлення термодатчиків відрізняються у різних фірм і залежать від кращою конфігурації приладу. Спільними операціями є припаивание висновків до контактних поверхонь і герметизація чутливих елементів смолою або склом. У деяких конструкціях кремнієвих датчиків брусок або пластину постачають механічними контактами, становище яких фіксують частково розплавленої скляною трубкою чи заливанням смолою. Луджені мідні висновки приєднують до торцевих металевих контактів. На рис.5 показані різні конструкції таких термодатчиків. Робочий діапазон датчиків з чутливими елементами на основі кремнію n-типу найчастіше становить інтервал від 223 до 423 К. При приміщенні кремнієвих чутливих елементів в герметичний скляний корпус деяким фірмам (Volvo, Philips) вдається збільшити верхній діапазон робочих температур до 570 К ?16, 17?.

Таким чином, на основі чутливих елементів, виготовлених з монокристалічного кремнію, розроблені і випускаються серійно термодатчики з широким набором номінальних опорів Rн, що працюють в діапазоні температур кілька сотень Кельвіна. Для датчиків цього характерні такі недоліки, як:

значний розкид номінальних опорів (5 ... 10)%, викликаний розкидом питомої опору і розмірів кристала кремнію.

Рис. 5. Конструкції термодатчиков з кремнієвими чутливими

елементами.

1 - висновок; 2 - смола; 3 - кремнієвий чутливий елемент;

4 - нікелеве покриття; 5 - припій; 6 - скло;

7 - молібденовий охолоджувач; 8 - кераміка;

9 - золочений контакт.

Зменшення розкиду значень Rндо (1 ... 2)% досягається лише разбраковкой чутливих елементів;

розкид значень ТКС, обумовлений розкидом ступеня легування кремнію. Зменшення розкиду значень ТКС обмежена можливостями сучасної технології;

досить велике значення показника термічної інерції через необхідність розміщення напівпровідникових чутливих елементів в корпусах для їх захисту від навколишнього середовища та забезпечення електричної ізоляції від об'єкта.

Крім того, процес складання термодатчиків такого типу важко піддається автоматизації і, як правило, здійснюється з використанням великої частки ручної праці.

Плівкові напівпровідникові датчики температури.

Поліпшення характеристик напівпровідникових датчиків температури і спрощення їх конструкції може бути досягнуто при використанні чутливих елементів, виготовлених з тонких плівок напівпровідника, нанесеного на напівпровідникову або діелектричну підкладку. Виготовлення таких датчиків здійснюється масовими методами планарної технології, які забезпечують отримання значень номінальних опорів з досить високою точністю і, крім того, дозволяють використовувати при виготовленні лазерні методи підгонки номінальних опорів.

Основним недоліком датчиків на основі автоепітаксійних структур «кремній на кремнії», а також на основі чутливих елементів з дифузійними кремнієвими тензорезисторами є низький верхня межа робочих температур, що обумовлено різким погіршенням ізолюючих властивостей pn переходу при температурах більше (410 ... 430) До ?18? .

Великі можливості щодо подальшого вдосконалення плівкових термодатчиків виникли з появою в серійному виробництві гетероепітаксійних структур «кремній на сапфірі» (КНС), які представляють собою тонку (від часток до декількох мікрометрів) плівку монокристалічного кремнію, вирощену на підкладці з монокристалічного сапфіру ?19?. Використання структур КНС дозволяє створювати термодатчики, що характеризуються поєднанням достоїнств датчиків з монокристалічними і плівковими кремнієвими чутливими елементами. Застосування монокристаллической плівки кремнію для виготовлення терморезисторів забезпечує підвищену стабільність характеристик термодатчиків. Хороші ізолюючі властивості сапфіра аж до температур близько 1300 К дозволяють створювати термодатчики, верхня межа робочих температур яких, в принципі, обмежений тільки фізичними властивостями кремнію. Високий коефіцієнт теплопровідності сапфіру сприяє зниженню показника теплової інерції термодатчика.

В даний час на основі чутливих елементів з КНС-структур розроблений ряд термодатчиків. Так датчик температури ТЕЕ-295, розроблений в НВО вимірювальної техніки г.Королев, працює в діапазоні температур від 73 до 473 К і має основну похибку 0,25% ?2?.

У Державному науковому центрі «НІІТЕПЛОПРІБОР» були розроблені аналогічні датчики з термочутливими елементами ТЕ-1 і ТЕ-2, що працюють в діапазоні температур від 73 до 723 К і мають похибку 0,25% і вихідний сигнал (4 ... 20) мА ?20? . У цих датчиках лінеаризація вихідного сигналу здійснювалася за допомогою одного або двох термонезавісімих резисторів, залежно від способу харчування - від генератора струму або генератора напруги (рис.6).

Для отримання уніфікованого вихідного сигналу використаний електронний перетворювач. Структурна електрична схема датчика з чутливим елементом моделі ТЕ-2 з двома терморезисторами, в яку включені два термонезавісімих резистора, показана на рис.6а. Мостова схема живиться від стабілізованого джерела постійної напруги 4В. Інформативний сигнал у вигляді різниці напруг ?U на вимірювальній діагоналі моста, пропорційний зміни опорів термочутливих резисторів, надходить на вхід диференціального підсилювача електронного перетворювача датчика і перетворюється на стандартний сигнал постійного струму (4 ... 20) мА.

Рис.6. Структурна електрична схема датчика температури з двома (а) і

одним (б) терморезисторами.

У діапазоні вимірювання температур від t1до t2термочувствітельний міст балансується зовнішнім потенціометром (на рис. Не показаний) таким чином, щоб нижньому значенням t1ізмеряемой температури відповідало початкове значення 4 мА вихідного сигналу датчика. Налаштуванням коефіцієнта посилення диференціального підсилювача датчика забезпечується відповідність величини 20 мА вихідного сигналу значенням t2верхнего межі вимірювань температури.

На рис. 6б показана електрична схема датчика температури, реалізована на базі чутливого елемента ТЕ-1 з одним терморезистором. У цьому випадку терморезистор R (t) разом з лінеарізующім шунтом R?включени в ланцюг живлення від стабілізованого джерела постійного струму 0,8 мА. Термонезавісімий резистор R включений в ланцюг живлення від іншого стабілізованого джерела постійного струму 0,8 мА. Різниця падіння напруги ?U на цих резисторах, пропорційна величині вимірюваної температури, надходить на вхід диференціального підсилювача датчика і потім перетвориться в стандартний вихідний сигнал постійного струму (4 ... 20) мА.

5. ВИСНОВОК

Аналіз літературних джерел дозволяє зробити висновок про все більш широкому використанні в системах регулювання напівпровідникових датчиків температури, різноманітність яких дозволяє вирішити безліч складних завдань. З'явилися останнім часом датчики на ізолюючих підкладках типу КНС-структур дозволяють у багатьох специфічних випадках замінити традиційні металеві (наприклад платинові) датчики і тим самим здешевити виміру і підвищити надійність систем.

6. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Трофимов Н.А., Лаппо В.В. Вимірювання параметрів теплофізичних процесів в ядерній енергетіке.- М .: Атомиздат, 1979.

Датчики теплофізичних і механічних параметрів. Довідник, т.1, кн.1 / Під общ.ред. Коптєва Ю.М., під ред. Багдатьева Є.Є., Горіш А.В., Малкова Я.В.- М .: ІПЖР, 1998.

Віглеб Г. Датчики. М .: Світ, 1989.

Федотов Я.А. Основи фізики напівпровідникових приладів. М .: Сов.радіо, 1969.

Фогельсон І.Б. Транзисторні термодатчики. М .: Сов.радіо, 1972.

Гордов А.Н., Жагулло О.М., Іванова А.Г. Основи температурних вимірювань. М .: Вища школа, 1992.

Шефтель І.Т. Терморезистори. М .: Наука, 1973.

Орлова М.П. Низькотемпературна термометрія. М .: Ізд.стандартов, 1975.

Зарубін Л.І., Неміш Ю.І. Напівпровідникова кріогенна термометрія. Огляд в кн. Напівпровідникова техніка і мікроелектроніка. Київ: Наукова думка, 1974, вип.16.

Вайнберг В.В., Воробкало Ф.М., Зарубін Л.І. Напівпровідниковий матеріал для термометрів опору на діапазон (14 ... 300) К. Напівпровідникова техніка і мікроелектроніка, Київ, 1979, вип.30.

Зі С. Фізика напівпровідникових приладів. Кн.1, М .: Мир, 1984.

Велшек Я. Вимірювання низьких температур електричними методами. М .: Енергія, 1980.

Мілнс А. Домішки з глибокими рівнями в напівпровідниках. М .: Світ, 1977.

Соколова А.А., Смирнов М.І., Ларіонов І.Б. Високочутливі датчики температури з кремнію, легованого золотом. -В Кн. Вдосконалення засобів і методики вимірювання температури при стендових випробуваннях виробів. Тези галузевого семінару. Загорськ, 1978.

Silicon temperature sensors.- Electron.Appl.News, 1982, v.19, №2.

Raabe G. Silizium temperatur sensoren von -50 ?C his 350 ?C - NTG - Faahber, 1982, №79.

Entre -55 ?C et 300 ?C penser au copteur de temperature silizium composauts.- Techniques d`applications mesures - 15, №4, 1985.

Mallon I., Germantion D. Advances in high temperature solid pressure transducers - Adv. In Instrum., 1970, v.25, part 2.

Папков В.С., Цибульник М.Б. Епітаксіальні кремнієві шари на діелектричних підкладках і прилади на їх основі. М .: Енергія, 1979.

Суханова Н.Н., Суханов В.І., Юровський А.Я. Напівпровідникові термоперетворювачі з розширеним діапазоном робочих температур. Датчики і системи, №7, 8, 1999.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка