Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры»




Скачать 198.73 Kb.
НазваниеКурсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры»
Дата публикации24.02.2013
Размер198.73 Kb.
ТипКурсовая
uchebilka.ru > Физика > Курсовая
Реферат скачан с сайта allreferat.wow.ua


Полупроводниковые датчики температуры

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ КУРСОВАЯ РАБОТА ПО СХЕМОТЕХНИКЕ ТЕМА: «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ» ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТЫ ФПК 3-2 Мазилина Е.А. Мазилин С.В. Москва 2001г. ПЛАН КУРСОВОЙ РАБОТЫ. 1. ВВЕДЕНИЕ. 2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ. 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ. 4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ. 1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов. 2. Датчики температуры на основе терморезисторов. 3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры. 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ВВЕДЕНИЕ Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалосьпредпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов впромышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этойпредпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств дляполучения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е.возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр ввыходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являютсякак бы органами чувств современной техники. 2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним изосновных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложныхтехнологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры,работающих на различных физических принципах и изготовленных из различныхматериалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах –там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активнойзоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерениекоторой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие какдавление, плотность, уровень теплоносителя и т.д. [1]. В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры,например для регулирования отопления на основании измерения температурытеплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружнойтемпературы; регулирование температуры нагрева воды в автоматическихстиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электродуховок ит.п. 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описанрядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчикимеждусобой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующиеконкретным задачам. Перечислим основные из этих характеристик [2]: 1. Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины: y = f(x) (1) Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицахвыходного сигнала или параметрах датчика, x – в единицах измеряемойвеличины. 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 датчикапостоянна. Чувствительност датчика характеризует степень совершенствапроцесса 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 ивеличины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут бытьслучайными и они учитываются методами математической статистики.Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены изрезультатов 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 восновном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, чтоприводит к соответствующему изменению электрической проводимости [4]. Наэтом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качествеполупровод-никовых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, гдеизменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока,протекающего через полупроводниковый прибор (4(. 1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов. В датчиках температуры на основе диодов и транзисторов используютзависимость параметров p-n перехода в полупроводнике от температуры. Исторически первым температурозависимым параметром был обратный токдиодов и транзисторов. Значение тока растет с температурой поэкспоненциальному закону со скоростью порядка 10%.К-1. Однако, диапазонтемператур, в пределах которых возможно использование обратных токов,весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяетсятемпературой их теплового пробоя. Наибольшее распространение получило использование прямых параметровдиодов и транзисторов [5]. Их существенными преимуществами перед обратнымиявляются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочихтемператур, высокая стабильность. Чаще всего для измерения температурыиспользуется прямое напряжение на p-n переходе при почти постоянном токеэмиттера. Изменение прямого напряжения составляет порядка 2,5 мВ.К-1. Приповышении температуры транзисторов p-n-p типа напряжение эмиттер-база изобласти 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 основеарсенида галлия. Диапазон измерения такого датчика (4,2…500) К, основнаяпогрешность (0,1%, чувствительность (2…3) мВ/К, габаритные размеры 3(3 мм[2]. Известны случаи использования в качестве температурозависимогопараметра коэффициента усиления по току на низких и высоких частотах [5].Однако невысокая чувствительность коэффициента усиления к температуре и егозависимость от предыстории, а также необходимость индивидуальнойградуировки во всем диапазоне рабочих температур ограничивают применениеэтого параметра при создании термодатчиков. На основе транзисторов, эмиттерный переход которых включен в одно изплеч моста, созданы термодатчики типа ТЭТ-1, ТЭТ-2 [5]. Первый типиспользуется 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 термодатчикахзначительно шире, чем при использовании транзисторов по прямому назначению.Ограничение применимости со стороны высоких температур наступает вследствиеперехода примесного полупроводника в собственный, уменьшения пробивногонапряжения и повышения генерации носителей в базовой области приотрицательных напряжениях. Применимость при низких температурахопределяется уменьшением концентрации основных носителей из-за дезактивациилегирующих примесей и уменьшения коэффициента усиления по току. Основным недостатком рассматриваемых термодатчиков является сложностьполучения их номинальной статистической характеристики из-за разбросаосновных параметров транзисторов: коэффициента усиления по току,сопротивления базовой области, тока утечки и др. Анализ и оценка влиянияразброса указанных параметров на точность измерения температуры прииспользовании номинальной статистической характеристики, выполненные в [5],показали, что для прямых параметров транзисторов с градуировкой при однойтемпературе погрешность измерения в схеме с общим эмиттером – не более 2 и50% при коэффициенте усиления по току ((30 и ((200 соответственно. Важной характеристикой для широкого внедрения термодатчиков на основетранзисторов и диодов является стабильность их параметров. Результатыисследования долговременной стабильности термодатчиков на основетранзисторов с температурозависимым параметром – прямым напряжением на p-nпереходе в зависимости от температуры и длительности эксплуатации,приведенные в (6( показывают, что погрешность измерения ими можетсоставлять (0,01…0,15) К в первый год эксплуатации и (0,002…0,04) К - вовторой год. Основными причинами нестабильности следует считать обратимыйпроцесс гидратации-дегидратации оксидного слоя на поверхностиполупроводникового кристалла и возникновение остаточных деформаций в немвследствие неодинаковости температурных коэффициентов линейного расширенияматериалов деталей транзисторов [6]. 2. Датчики температуры на основе терморезисторов. Наиболее широкое распространение получили датчики на основетерморезисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан натемпературной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов иполупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточнойстабильностью по отношению к дестабилизирующим факторам. Температурнуючувствительность термометрического материала принято характеризоватьтемпературным коэффициентом сопротивления (ТКС). Типичные случаи поведениятермометрической зависимости представлены на рис. 1. Как видно из рисунка, полупроводниковые терморезистивныепреобразователи отличаются достаточно большой чувствительностью (на порядоки больше) нежели металлические. Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественнойпромышленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительнымиэлементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностьюзаполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков (обычноназываемых терморезисторами) является большое значение температурногокоэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры [2,6,7]. Взависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторыразделяют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ иСТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый допускпо сопротивлению и ТКС (позисторы СТ5 и СТ6). Изменяя состав материала чувствительного элемента, можно получитьтерморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС впределах от –6,5 до +20 %/К [7]. Номинальные сопротивления чувствительныхэлементов зависят от их состава и размеров и могут находиться в пределах от1 до 106 Ом. Высокое номинальное сопротивление терморезисторов упрощаеттребования к системе терморегулирования, что позволяет ограничитьсядвухпроводной линией связи датчика с системой регулирования и уменьшаетпогрешность 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). RT = Aexp(B/T), (3)где RT – сопротивление терморезистора при температуре Т; А,В – постоянныекоэффициенты, зависящие от материала терморезистора и номинального значенияего сопротивления. Это соотношение обеспечивает высокую точностьаппроксимации только в узком диапазоне температур. Так например, длятерморезисторов типа СТ4-16 погрешность аппроксимации не более (0,05 Кобеспечивается только в диапазоне (15…55) (С. Лучшие результаты даютуравнения типа: RT = A1exp(B1/T + C1/T2) ; (4) 1/T = A2 + B2lgRT + C2(lgRT)3, (5)где А1, А2, В1, В2, С1, С2 – постоянные. Уравнение (4) обеспечиваетточность 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 стержнейдиаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые чувствительные элементы обычнозаливают стеклом или помещают в стеклянные и пластмассовые корпуса.Дисковые чувствительные элементы часто защищают изоляционными пленками излака или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах игерметизируют 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 своювеличину, иногда даже на несколько порядков. Технология изготовлениячувствительных элементов не позволяет получать номинальные значениясопротивлений даже для одного типа с разбросом меньше (10…20)%. Кроме того,значения температурного коэффициента сопротивления терморезисторов однойконфигурации могут отличаться почти в два раза [7(, вследствие чегоотсутствует 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 поставнению с аморфными веществами обладают монокристаллы. Для созданиямонокристаллических чувствительных элементов термометров широкое применениеполучили кремний и германий. В чмстом виде германий и кремний используютсявыше 20 К. В области более низких температур наиболее часто используетсялегированный германий, как хорошо изученный полупроводниковый материал,технология получения кристаллов которого хорошо отработана. При легированиигермания элементами III и IV групп, такими как галлий и сурьма, являющимисямелкими примесями с энергией активации порядка 0,01 эВ, можно изготавливатьвысокочувсвительные термометры для работы в диапазоне от 1 до 40 К спогрешностью 0,005 К [8]. Конструкция такого термодатчика разработкиВНИИФТРИ при ведена на рис.2 [2]. Датчики выпускаются в двух модификациях врасчете на двухпроводную (рис.2а) или четырехпроводную (рис.2б) схемувключения. Чувствительный элемент – тонкая пластина легированного германия3, к которой припаяны золотые выводы 2. Чувствительный элемент помещен вмельхиоровую гильзу 4, заканчивающуюся стеклянной головкой 6 с платиновымпояском и припаяными через нее платиновыми выводами 7, сваренными внутригильзы с золотыми выводами от чувствительного элемента. Изнутри гильзадатчика покрыта фторопластовой защитной пленкой 5, противоположный выводамконец герметизирован оловянной пробкой 1. Гильза термометра заполненагазообразным гелием. Такие термометры имеют нелинейную температурнуюзависимость сопротивления. Их статистическая характеристика бизка кэкспоненциальной и аппроксимируется полиномами вида (6(: LnR = ( ai(lnT)i (6),где ai – коэффициенты. Рис.2. Низкотемпературные датчики температуры на основе Ge. Выбор степени полинома i зависит от требуемой точности измерения идиапазона измеряемых температур. С ростом температуры чувствительностьтаких термометров быстро уменьшается до уровня, меньшего чем у металлов.При этом происходит изменение сопротивления термометра от сотен мегом додесятых долей ома. Для сохранения высокой чувствительности вплоть до 300 Кавторами работ [9,10] предлагается многокомпонентное легирование германиямелкими и глубокими примесями или донорными и акцепторными примесями. Разработанные ВНИИФТРИ германиевые термодатчики обладают высокойстабильностью характеристик и широко используются в криогенной области.Однако, они имеют крайне низкую устойчивость к механическим воздействиям. Кнедостаткам германиевого термодатчика следует отнести сложность получениястабильной пленки двуокиси германия, что при разработке термодатчиковтребует специальных мер по защите поверхности чувствительного элемента отокружающей среды. Кроме того, из-за узкой (Ey ( 0,74 эВ (11( ) запрещеннойзоны 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 междуметаллами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашлиширокое применение в криогенной технике. В качестве чувствительногоэлемента углеродных термодатчиков часто используются углеродныерадиотехнические сопротивления. Для широкого интервала температурстатические характеристики преобразования углеродных термодатчиковпредлагается представлять соотношением типа: lnR = A/Tm + B (7),где A, B и m – постоянные. Это уравнение позволяет в диапазоне (3…60) К получить аппроксимациюэкспериментальных данных с погрешностью не более (0,03 К (6(. Углеродныетермодатчики требуют индивидуальной градуировки. Они не дороги, однако вэксплуатации требуют аккуратного обращения, т.к. весьма чувствительны кмеханическим нагрузкам как на сам угольный элемент, так и на электрическиевыводы, которые запрессованы в элемент. Известны пленочные углеродные термодатчики, чувствительный элементкоторых изготавливают из коллоидной суспензии графита в воде, нанесенной натонкие стеклянные пластинки (12(. Эти датчики предназначены для интервалатемператур (0,03…4,2) К. В интервале (4,2…273) К используют также стеклоуглеродныетермодатчики (12(. Для изготовления их чувствительного элемента щелочно-боросиликатное стекло подвергают выщелачиванию, удаляя из него фазу,богатую бором. Образуется пористое стекло. Поры заполняют тонкоизмельченным углем высокой чистоты. Полученный материал после высушиванияразрезают на пластины. На концы пластин в вакууме напыляют электроды. Затемпластины с выводами помещают в платиновые гильзы. Гильзы напоняют гелием игерметизируют. Статические характеристики преобразования стеклоуглеродныхтермодатчиков могут быть аппроксимированы уравнением (7). В настоящее время в области практического использования никакойполупроводниковый материал не может конкурировать с кремнием по степениизученности характеристик и, особенно, по степени разработанности иосвоенности технологии изготовления. Поскольку кремний имеет достаточноширокую (Ey ( 1,17 эВ (11() зону проводимости и, кроме того, интенсивноеокисление поверхности кремния происходит при температурах, больших 1000 К,то на его основе могут создаваться высокотемпературные термодатчики. Наоснове монокристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как сположительным, так и с отрицательным значением ТКС в области среднихтемператур. Отрицательное значение ТКС получают при легировании кремниятакими 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 сотрицательным ТКС для измерения температуры поверхности с рабочимдиапазоном (273…330) К (2,14(. Температурный коэффициент такоготермодатчика изменяется от –8%/К при 273 К до –(2…3)%/К при 330 К.Чувствительный элемент 1 термодатчика (рис.3) в виде параллелепипеда измонокристаллического кремния нижней широкой гранью прикреплен к контактнойплощадке 3, нанесенной на пластину из монокристаллического сапфира 2.Второй контакт находится на верхней грани чувствительного элемента исоединен золотыми микропроводниками 5 с другой контактной площадкой 4.Сверху чувствительный элемент залит смолой 6. Малый рабочий диапазон такихтермодатчиков объясняется тем, что с ростом температуры ТКС уменьшаетсяпропорционально величине 1/Т2. Поскольку значение номинальногосопротивления (Rн) термодатчика зависит от размеров чувствительногоэлемента, а при разделении пластины кремния на отдельные чувствительныеэлементы невозможно добиться их полной идентичности, то разброс значений Rнв партии составляет (20%. Кроме того, наблюдается разброс значений ТКС впределах 5%, обусловленный различной степенью легирования кремния впроцессе производства. Большое значение показателя тепловой инерцииразработанного термодатчика ((10 с) ограничивает его использование вдинамике. Расширить измеряемый температурный диапазон можно, если включитьпараллельно кремниевому терморезистору пассивный резистор (независящий оттемпературы) при питании схемы постоянным током или последовательно – припитании схемы от источника постоянного напряжения. НПО Измерительнойтехники г.Королев разработан кремниевый датчик ТЭ-260 (2(, работающий притемпературах от 223 до 523 К. Положительным значением температурного коэффициента удельногосопротивления в широком диапазоне температур обладает кремний, легированныйпримесями с малой энергией активации. На рис.4 показаны температурныезависимости удельного сопротивления кремния, легированного бором ифосфором, с различной концентрацией носителей тока (15(. Видно, что областьсобственной проводимости кремния с концентрацией носителей тока p, n ( 1020м-3 начинается при температурах Т(450 К, а кремния с p, n ( 1023 м-3 – приТ(600 К. При меньших температурах и соответствующей концентрации носителейтока 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 положительноезначение. На базе кремниевых чувствительных элементов с положительным ТКС рядомзарубежных фирм (Volvo, Siemens (Германия), Philips (Нидерланды), ITTComponents Group (Великобритания), Rodan Industries Inc, Texas Instruments(США) и др. разработано и выпускается серийно большое количествотермодатчиков различного назначения. Чувствительные элементы этих прибороводнотипны и представляют собой кристаллы кремния n-типа проводимости,изготовленные в виде брусков или кубиков. Размеры чувствительных элементовмогут несколько варьироваться для получения требуемого сопротивления. Конечные стадии технологического процесса изготовления термодатчиковотличаются у различных фирм и зависят от предпочтительной конфигурацииприбора. Общими операциями являются припаивание выводов к контактнымповерхностям и герметизация чувствительных элементов смолой или стеклом. Внекоторых конструкциях кремниевых датчиков брусок или пластину снабжаютмеханическими контактами, положение которых фиксируют частичнорасплавленной стеклянной трубкой или заливкой смолой. Луженые медные выводыприсоединяют к торцевым металлическим контактам. На рис.5 показаныразличные конструкции таких термодатчиков. Рабочий диапазон датчиков счувствительными элементами на основе кремния n-типа чаще всего составляетинтервал от 223 до 423 К. При помещении кремниевых чувствительных элементов в герметичный стеклянный корпус некоторым фирмам (Volvo, Philips) удаетсяувеличить верхний диапазон рабочих температур до 570 К (16,17(. Таким образом, на основе чувствительных элементов, изготовленных измонокристаллического кремния, разработаны и выпускаются серийнотермодатчики с широким набором номинальных сопротивлений Rн, работающих вдиапазоне температур несколько сотен Кельвина. Для датчиков этого типахарактерны 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 чувствительныйэлемент; 4 – никелевое покрытие; 5 – припой; 6 – стекло; 7 – молибденовый охладитель; 8 – керамика; 9 – золоченый контакт.Уменьшение разброса значений Rн до (1…2)% достигается лишь разбраковкойчувствительных 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 поддаетсяавтоматизации и, как правило, осуществляется с использованием большой долиручного труда. 3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры. Улучшение характеристик полупроводниковых датчиков температуры иупрощение их конструкции может быть достигнуто при использованиичувствительных элементов, изготовленных из тонких пленок полупроводника,нанесенного на полупроводниковую или диэлектрическую подложку. Изготовлениетаких датчиков осуществляется массовыми методами планарной технологии,которые обеспечивают получение значений номинальных сопротивлений сдостаточно высокой точностью и, кроме того, позволяют использовать приизготовлении лазерные методы подгонки номинальных сопротивлений. Основным недостатком датчиков на основе автоэпитаксиальных структур«кремний на кремнии», а также на основе чувствительных элементов сдиффузионными кремниевыми тензорезисторами является низкий верхний пределрабочих температур, что обусловлено резким ухудшением изолирующих свойств p-n перехода при температурах более (410…430) К (18(. Большие возможности по дальнейшему совершенствованию пленочныхтермодатчиков возникли с появлением в серийном производствегетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» (КНС), которыепредставляют собой тонкую (от долей до нескольких микрометров) пленкумонокристаллического кремния, выращенную на подложке измонокристаллического сапфира (19(. Использование структур КНС позволяетсоздавать термодатчики, характеризующиеся сочетанием достоинств датчиков смонокристаллическими и пленочными кремниевыми чувствительными элементами.Применение монокристаллической пленки кремния для изготовлениятерморезисторов обеспечивает повышенную стабильность характеристиктермодатчиков. Хорошие изолирующие свойства сапфира вплоть до температуроколо 1300 К позволяют создавать термодатчики, верхний предел рабочихтемператур которых, в принципе, ограничен только физическими свойствамикремния. Высокий коэффициент теплопроводности сапфира способствует снижениюпоказателя тепловой инерции термодатчика. В настоящее время на основе чувствительных элементов из КНС-структурразработан ряд термодатчиков. Так датчик температуры ТЭЭ-295, разработанныйв НПО измерительной техники г.Королев, работает в диапазоне температур от73 до 473 К и имеет основную погрешность 0,25% (2(. В Государственном научном центре «НИИТЕПЛОПРИБОР» были разработаныаналогичные датчики с термочувствительными элементами ТЭ-1 и ТЭ-2,работающие в диапазоне температур от 73 до 723 К и имеющие погрешность0,25% и выходной сигнал (4…20) мА (20(. В этих датчиках линеаризациявыходного сигнала осуществлялась с помощью одного или двух термонезависимыхрезисторов, в зависимости от способа питания – от генератора тока илигенератора напряжения (рис.6). Для получения унифицированного выходного сигнала использованэлектронный преобразователь. Структурная электрическая схема датчика счувствительным элементом модели ТЭ-2 с двумя терморезисторами, в которуювключены два термонезависимых резистора, показана на рис.6а. Мостовая схемапитается от стабилизированного источника постоянного напряжения 4В.Информативный сигнал в виде разности напряжений (U на измерительнойдиагонали моста, пропорциональный изменению сопротивленийтермочувствительных резисторов, поступает на вход дифференциальногоусилителя электронного преобразователя датчика и преобразуется встандартный 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 мостбалансируется внешним потенциометром (на рис. не показан) таким образом,чтобы нижнему значению t1 измеряемой температуры соответствовало начальноезначение 4 мА выходного сигнала датчика. Настройкой коэффициента усилениядифференциального усилителя датчика обеспечивается соответствие величины 20мА выходного сигнала значению t2 верхнего предела измерений температуры. На рис. 6б показана электрическая схема датчика температуры,реализованная на базе чувствительного элемента ТЭ-1 с однимтерморезистором. В этом случае терморезистор R(t) вместе с линеаризующимшунтом R( включены в цепь питания от стабилизированного источникапостоянного тока 0,8 мА. Термонезависимый резистор R включен в цепь питанияот другого стабилизированного источника постоянного тока 0,8 мА. Разностьпадения напряжения (U на этих резисторах, пропорциональная величинеизмеряемой температуры, поступает на вход дифференциального усилителядатчика и затем преобразуется в стандартный выходной сигнал постоянноготока (4…20) мА. 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о все болеешироком использовании в системах регулирования полупроводниковых датчиковтемпературы, разнообразие которых позволяет решить множество сложных задач.Появившиеся в последнее время датчики на изолирующих подложках типа КНС-структур позволяют во многих специфических случаях заменить традиционныеметаллические (например платиновые) датчики и тем самым удешевить измеренияи 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.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconКурсовая работа Тема: «Исследование распределения температуры в тонком цилиндрическом стержне»

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconТермопары это надежные и недорогие датчики температуры, широко используемые...
Однако измерение температуры с помощью термопар требует принятия специальных мер для обеспечения необходимой точности измерений....

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconДатчики сапфир-22мт 4 датчики сапфир-22мп 8
Датчики просты, надежны и удобны в эксплуатации. Применяются для измерения давления пара, жидкостей и газообразных сред. Пользуются...

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconСкорость и ускорение
Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и пе­ремещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц)...

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconХимические датчики
Химические датчики реагируют либо на определенные химические веще­ства, либо на химические реакции. Их назначение идентификация и...

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconЛабораторная работа №5
При изменении температуры проводника изменяется его сопротивление. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры...

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconКурсовая работа тема: физическая

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconКурсовая работа тема: лидерство

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconКурсовая работа Тема Налогообложение предприятий

Курсовая работа по схемотехнике тема: «полупроводниковые датчики температуры» iconКурсовая работа тема: журналистика и интернет


Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


don