Аналіз сучасного стану розробки напівпровідникових 
сенсорів  температури

Технічні науки. 6 / Електротехніка та радіоелектроніка

Осадчук В.С., Осадчук О.В., Деундяк В.П., Деундяк М.В.

Вінницький національний технічний університет

Аналіз сучасного стану розробки напівпровідникових

сенсорів температури

Використання досягнень сучасної мікроелектронної технології привело до значних успіхів у створенні різноманітних пристроїв контролю і управління. Проте часто отримання високих метрологічних характеристик апаратури досягається за рахунок підвищення її складності, габаритів, маси і вартості. Для подальшого суттєвого підвищення якості первинних перетворювачів необхідно використовувати нові фізичні явища і пошук нових принципів реалізації пристроїв, які відзначаються багатофункціональністю, малою споживаною потужністю, стабільністю характеристик, високою чутливістю, підвищенню швидкодією і надійністю.

Важливим різновидом сенсорів є сенсори температури, адже багато процесів регулюється відповідно до значення температури. Використання температурних сенсорів, як правило, ґрунтується на вимірюванні залежності електричного опору від температури, за виключенням сенсорів на основі термопар, де виникає електрорушійна сила (ЕРС), пропорційна напрузі.

Рис.1. Залежність діапазону вимірюваної температури від типу сенсора

Для виміру температури в даний час використовуються напівпровідникові або мікроелектронні сенсори, що виконані у вигляді мікросхем, інфрачервоні сенсори, термометри опору, термістори, термопари. На рис.1 в залежності від типу сенсора приведений діапазон виміру температури. Мікроелектронні сенсори призначені для виміру температури в діапазоні від –55 до 150⁰С. Вони знаходять широке застосування у вимірювальних приладах, промислових установках, системах керування та управління, медичній апаратурі, комп'ютерній техніці, засобах зв'язку та інше [1].

Розглянемо сенсор температури на ниткоподібному монокристалі напівпровідника [2]. Особливістю цього приладу є те, що з метою підвищення точності вимірювань шляхом зниження тензочутливості сенсора, монокристал напівпровідника утворюється двома ділянками р- і n-типу.

Рис. 2. Сенсор температури на ниткоподібному монокристалі напівпровідника

Високий рівень досконалості структури ниткоподібного монокристала забезпечує сенсорові (рис. 2) гарні механічні характеристики, а мала теплова інерція дозволяє його використовувати для динамічних вимірювань температури. Однак відносно великий коефіцієнт тензочутливості не дозволяє досягти високої точності вимірювань в умовах дії пружних сил (наприклад при деформації деталі).

Привертає увагу пристрій для вимірювання температури, який містить в собі чутливий р-n перехід [3]. Відмінність цього приладу від інших подібних полягає в тому, що він додатково містить у собі чутливий р-n перехід розміщений на основі корпуса, концентрації акцепторних домішок в р-області та донорних домішок в n-області переходів рівні, області протилежної провідності переходів з’єднані електричними перемичками, основа і кришка корпуса виготовлені з теплопровідного та електроізоляційного матеріалу, а чутливі елементи прикріплені до основи корпусу за допомогою теплопровідного, пластичного та електроізоляційного клею (рис. 3).

Рис. 3. Конструкція пристрою для вимірювання температури, на основі чутливого до температури р-n переходу: 1,3 – р-області; 2,4 – n-області; 5,6 – електричні перемички 7 – основа; 8 – корпус; 9 – з'єднання р-n-переходів з корпусом за допомогою клею; 10,11 – алюмінієві виводи

Перевагою даного пристрою є підвищення точності вимірювання шляхом виключення впливу полярності прикладеної напруги, а також підвищення захищеності пристрою від впливу електричних завад.

Розглянемо пристрій для вимірювання температури, який містить чутливий елемент (ЧЕ) з арсеніду галію з областями різної провідності, підключений через навантажувальний резистор до джерела струму [4]. При чому, арсенід галію використовується електронного типу та високоомний, а також довжина n-області не менш ніж в 2-3 рази перевищує дифузійну довжину пробігу неосновних носіїв заряду.

Рис. 4. Конструкція сенсора температури: 1 – ЧЕ; 2 – низькоомний шар n⁺-типу; 3 – високоомний шар n-типу; 4 – низькоомний шар р⁺-типу; 5 – контакти; 6 – навантажувальний опір; 7 – джерело постійного струму; 8 – частотомір

Даний пристрій (рис. 4) є достатньо простим, має високу точність вимірювання температури, забезпечує безпосереднє перетворення температури в частотний сигнал, а також характеризується високою надійністю і відносно не високою вартістю.

У роботі [5], авторами запропоновано температурний сенсор, особливістю якого є те, що в ньому додатково містяться перший і другий теплопровідні елементи, а в четверте плече компенсаційного моста – паралельно під’єднано додатковий резистор, причому перший теплопровідний елемент з’єднує термопару з другою вершиною компенсаційного моста.

Рис. 5. Компенсаційний міст

Рис. 6. Функціональна схема вимірювання температури: 1 – резистор першого плеча; 2 – резистор другого плеча; 3 – резистор третього плеча; 4 – резистор четвертого плеча; 5 – додатковий резистор четвертого плеча; 6 – компенсаційний міст; 7 – термопара; 8,9 – перший і другий теплопровідні елементи; 10 – джерело живлення; 11 – вимірювальний прилад; 12 – діелектрична підкладка [5]

Внаслідок нового технологічного рішення, цей сенсор дає можливість підвищити точність вимірювання температури, крім того може бути використаний для контролю вимірювання та регулювання температури в складних циклах промисловості.

Інтерес становить сенсор температури, що розглядається в роботі [6]. Особливістю цього сенсора є те, що на поверхню монокристалу кремнію нанесено діелектричне покриття з матеріалу з температурним коефіцієнтом лінійного розширення, що перевищує температурний коефіцієнт лінійного розширення напівпровідника.

Рис. 7. Сенсор температури виготовлений з монокристалу напівпровідника голковидної форми: 1 – монокристал напівпровідника; 2 – діелектричне покриття; 3 – точковий омічний контакт; 4 – точковий омічний контакт

Превагою сенсора температури на основі монокристалу напівпровідника є зручні геометричні розміри, проста технологія виготовлення, високі механічні властивості, стабільність параметрів, надійність. Малі габарити (база 2-3 мм, ширина грані 20-40 мкм) і мала маса покращують динамічні і метрологічні характеристики сенсора. Крім того, цей прилад може бути використаний в широкому діапазоні температур, а також має порівняно високу чутливість.

Привертає увагу термометр опору, який містить ЧЕ з монокристалічного напівпровідника з двома омічними контактами [7]. Відмінність цього приладу від інших подібних полягає в тому, що з метою підвищення точності вимірювання температури в умовах дії магнітного поля, ЧЕ виконаний з поперечними розмірами в площині, перпендикулярної лінії, що з’єднує контакти, меншими найбільшої характерної дифузійної довжини вільних носіїв заряду напівпровідника, але більшими за довжину екранування напівпровідника. Перевагою запропонованого приладу є можливість суттєвого зменшення похибки вимірювання температури від дії магнітного поля, малі розміри, придатні для вимірювання нестаціонарних температур.

Розглянемо сенсори температури, які містить два p-n перехідних пристрої різної площі запропоновані авторами в роботі [8]. Особливістю даного сенсора температури є те, що перехідні пристрої з'єднані послідовно, точка їх з'єднання – середній вивід сенсора, протилежні виводи є виводами для підключення джерела живлення, причому середній і протилежні виводи є сигнальними виводами сенсора (рис. 8).

Рис. 8. Схема сенсора температури: VT1, VT2 – транзистори з колекторно-базовим зв’язком в якості p-n перехідного пристрою з площею m, n відповідно; а – один протилежний вивід сенсора; б – середній вивід сенсора; в – другий протилежний вивід сенсора

Поряд з сенсором температури, розглянутим вище, пропонується його конкретизація, а саме сенсор 2 в якого одним з перехідних пристроїв є транзистор, база і колектор якого з’єднані, а іншим – декілька паралельно з’єднаних транзисторів, база і колектор яких з’єднані. Особливістю цих сенсорів є те, що вони живляться від одного джерела струму. Так забезпечується абсолютна рівність струмів в обох переходах.

Сенсор 3, відрізняється тим, що додатково введено сумуючий пристрій, загальний вивід входів якого з’єднано з середнім виводом сенсора, сумуючі входи з’єднані з протилежними виводами сенсора, а вихід сумуючого пристрою є виходом сенсора (рис. 9).

Сенсор 4, відрізняється тим, що додатково введено віднімаючий пристрій, загальний вивід входів якого з’єднано з одним з протилежних виводів сенсора, один з входів віднімаючого пристрою з’єднаний з другим протилежним виводом сенсора, другий з входів, з вдвічі більшим коефіцієнтом передачі, – з середнім виводом сенсора, а вихід віднімаючого пристрою є виходом сенсора (рис. 10).

Основною перевагою даних сенсорів є легкість виготовлення на одному монокристалі напівпровідника відповідно до сучасного етапу розвитку інтегральної технології, а також відносна дешевизна.

У роботі [9] розглядається низькотемпературний сенсор, що містить ЧЕ 1 з напівпровідникового ниткоподібного кристалу з під'єднаними струмовиводами 2, розташований на підкладці 3 (рис. 11).

Рис. 11. Низькотемпературний сенсор: 1 – ЧЕ; 2 – золоті струмовиводи;

3 – діелектрична підкладка

Можливість вимірювання одноелементним низькотемпературним сенсором двох параметрів – розширює його функціональні можливості, а також є значною перевагою. До недоліків даного пристрою можна віднести необхідність використання благородного металу (золота).

Розглянемо сенсор температури запропонований авторами у роботі [10]. Він містить ЧЕ 1 з напівпровідникового ниткоподібного кристалу з чотирма точковими контактами 2,3,4,5, прикріпленого на підкладці 6, одна пара контактів розташована на кінцях кристала біля основи та вістря, інша пара контактів – в середній частині кристала, причому частина кристала між контактом зі сторони вістря та одним контактом з середньої частини кристала утворюють терморезистор. Котрий відрізняється наявністю додаткового термоелемента, утвореного частиною кристала між контактом зі сторони основи та одним контактом з середньої частини кристала, причому пара контактів розташована в середній частині кристала, зміщена до вістря, а кристал прикріплений на підкладці по всій довжині.

Перевагою даного сенсора є здатність вимірювати як температуру та різницю температур, крім того, в приладі забезпечено можливість підвищення чутливості та стабільності вимірювання температури.

В роботі [11] розглядається сенсор магнітного поля і температури, що містить сенсор магнітного поля з напівпровідникового монокристалу ІnSb 1, терморезистор з напівпровідникового ниткоподібного монокристалу Si-Ge<Zn>, шар фериту Mn-Zn 3, особливістю якого є те, що терморезистор 2 виконаний з двох послідовно з’єднаних ЧЕ і розташований в шарі фериту, який виконаний з суміші теплопровідної пасти і порошку фериту, що нанесено на поверхню сенсора магнітного поля (рис. 13). До переваг вказаного приладу відносять багатофункціональність та висока точність вимірювань порівняно з аналогами.

Рис. 13. Схема сенсора магнітного поля і температури: 1 – напівпровідниковий монокристал ІnSb; 2 – терморезистор; 3 – шар фериту Mn-Zn; 4,5 – струмовиводи

Розглянемо температурний сенсор для вимірювання різниці температур [12]. Цей пристрій складається з двох термометрів опору, двох біполярних транзисторів з струмозадаючими резисторами в колі їх емітерів, джерела живлення, стабілізатора струму, виконаного на польовому транзисторі з струмозадаючим резистором в колі його витоку (рис. 14). В пристрої передбачена можливість виміру малих значень опорів термометрів, що приводить до збільшення точності вимірювання температур та розширення діапазону вимірювання температур.

Рис. 14. Схема сенсора для вимірювання різниці температур: 1,2 – термометри опору; 3,4 – біполярні транзистори протилежного типу провідності; 5,6 – струмозадаючі резистори; 7 – двополярне джерело живлення; 8 – середня точка двополярного джерела живлення; 9 – струмозадаючим резистор; 10 – польовий транзистор; 11 – стабілізатор струму; 12 – плюсова шина; 13 – мінусова шина; 14 – резистор; 15 – польовий транзистор; 16 – біполярний транзистор; 17 – індуктивність; 18 – перше джерело постійної напруги; 19 – ємність; 20 – друге джерело постійної напруги

Рис. 15. Блок-схема сенсора температури: 1 – основний генератор; 2 – додатковий генератор; 3 – блок вимірювання відношення частот; 4 – терморезистор; 5 – додатковий терморезистор; 6,7,8 – резистори

У роботі [13] запропоновано сенсор температури, який відрізняється тим, що з метою підвищення точності вимірювань, в нього введено ланку, що складається з послідовно ввімкнених резистора і додаткового терморезистора, зашунтованого іншим резистором, і підключений до виводів термонезалежного елемента опорного генератора. На рис. 15 приведено блок-схему запропонованого пристрою.

Інтерес становить сенсор температури, що розглядається в роботі [14]. На рис. 16 приведено схему запропонованого пристрою для вимірювання миттєвих значень температури.

Рис. 16. Схема сенсора температури: 1 – задаючий потенціометр; 2 – міст; 3 – сенсор температури; 4 – резистор; 5,6 – транзисторна пара; 7,8 – резистори; 9 – підсилювач зворотного зв’язку; 10 – інтегруючий RC-ланцюг

Використання запропонованого пристрою зменшує похибку вимірювань пульсуючих температур, покращує температурну стабільність, знижує затрати на виготовлення, підвищує надійність роботи, а також збільшує продуктивність праці при вимірюваннях.

ЛІТЕРАТУРА

1. Виглеб Г. Датчики. – М.: Мир. – 1989. – С. 186.

2. А.с. 974871 СССР, МКИ G 01 K 7/22. Датчик температуры / А.И. Дрожжин, А.П. Ермаков, О.П. Вьюнова (СССР). – 2971132; Заявлено 05.08.80.

3. Пат. 31389 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 7/00. Пристрій для вимірювання температури / Ю.М. Шварц (УКРАЇНА). – 974871; Заявлено 19.08.98; Опубл. 15.12.2000, Бюл. № 7.

4. А.с. 800699 СССР, МКИ G 01 K 7/16. Устройство для измерения температуры / Х.И. Амирханов, Р.И. Баширов, Ш.Г. Сулейманов (СССР). – 2689027; Заявлено 30.01.78; Опубл. 30.01.81, Бюл. № 4.

5. Пат. 34184 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 7/22. Вимірювач температури / О.В. Бойко, О.З. Готра, З.Ю. Готра, І.Є. Лопатинський (УКРАЇНА). – 99063236; Заявлено 11.06.99; Опубл. 15.02.2001, Бюл. № 1.

6. А.с. 1052887 СССР, МКИ G 01 K 7/22. Датчик температуры / А.И. Дрожжин, А.П. Ермаков (СССР). – 3398723; Заявлено 24.02.82; Опубл. 07.11.83, Бюл. № 41.

7. А.с. 1118872 СССР, МКИ G 01 K 7/22. Термометр сопротивления / Ю.И. Еросов, А.И. Климовская, Н.А. Прима, О.В. Снитко (СССР). – 3505556; Заявлено 28.10.82; Опубл. 15.10.84, Бюл. № 38.

8.Пат. 42808 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 7/01. Напівпровідниковий датчик температури / В.С. Голуб (УКРАЇНА). – 97063128; Заявлено 26.06.97; Опубл. 15.11.2001, Бюл. № 10.

9. Пат. 29027 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 7/22. Низькотемпературний сенсор / С.С. Варшава, В.В. Вайнберг, Є.Ф. Венгер, А.В. Прохорович, Г.М. Бортнік (УКРАЇНА). – 97125970; Заявлено 10.12.97; Опубл. 16.10.2000, Бюл. № 5.

10. Пат. 27570 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 7/16. Сенсор температури / А.О. Дружинін, І.П. Островський, Ю.Р. Когут (УКРАЇНА). – u200705987 Заявлено 30.05.2007; Опубл. 12.11.2007.

11. Пат. 41659 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 7/32. Вимірювач магнітного поля і температури / С.С. Варшава, Р.І. Байцар, М.П. Гінгін, П.Г Столярчук (УКРАЇНА). – 2000127515; Заявлено 26.12.2000; Опубл. 17.0.9.2001, Бюл. № 8.

12. Пат. 27665 УКРАЇНА, МКІ G 01 K 3/00. Пристрій для вимірювання різниці температур / Г.В. Івчук, Ю.С. Кравченко (УКРАЇНА). – u200707217; Заявлено 26.06.2007; Опубл. 12.11.2007.

13. А.с. 892236 СССР, МКИ G 01 K 7/16. Устройство для измерения температуры / И.А. Степанюк (СССР). – 542918; Заявлено 28.03.80; Опубл. 23.12.81, Бюл. № 47.

14. А.с. 864026 СССР, МКИ G 01 K 7/24. Устройство для измерения мгновенных значений температуры / А.И. Бондарев, С.И. Степанов, С.Б. Тарасов (СССР). – 2758461; Заявлено 26.04.79; Опубл. 15.09.81, Бюл. № 34.