Материал: zPUs6LtHHJ

температуры может быть очень большим, а измерительная аппаратура, контролирующая эти изменения, фиксирует их в ограниченном диапазоне, поэтому датчики на основе термисторов работают обычно в узком температурном интервале (50…100 оС).

Существует еще один класс терморезисторов, изготавливаемых по аналогичной технологии, но с очень высоким положительным ТКС. К ним относятся различные оксиды с полупроводниковыми и сегнетоэлектрическими свойствами. Например у легированной керамики на основе оксидов TiO2, изменение сопротивления в температурном диапазоне 100…150 оС составляет 2-3 порядка. В принципе, такими свойствами обладают все материалы с фазовыми переходами I или II рода: сегнетоэлектрики (BaxSr1–xTiO3), сверхпроводники (J1–xBax)2CuO7. Устройства на их основе широко используются в системах охранной, пожарной и аварийной сигнализаций.

Кремниевые датчики температуры, создаваемые с помощью диффузии, интересны в случае массового применения, так как они достаточно дешевые, изготавливаются методом групповой технологии, имеют большой температурный коэффициент, хорошую воспроизводимость параметров (отклонение номинала резисторов составляет не более 1 %), взаимозаменяемость. Технология их достаточно проста – это обычный диффузионный резистор (ДР). Маршрут изготовления состоит из окисления пластины – фотолитографии (ФЛГ) под диффузию – снятии стекла – окислении – ФЛГ под контактные окна – металлизации – ФЛГ по металлизации – травлении металлизации.

Для кремниевого датчика существует две области температур с различным характером ее изменения. При повышении температуры (до ~120 оС) сопротивление ДР возрастает из-за снижения подвижности носителей заряда, концентрация которых остается постоянной. При дальнейшем росте температуры сопротивление падает из-за термоактивированного процесса рождения электронно-дырочных пар. Характер поведения сопротивления в диапазоне температур сильно зависит от концентрации носителей заряда в ДР (рис.12).

Обычно работают на восходящем участке R(t) с положительным ТКС, равным ~0,7 % оС при температуре 25 оС. Малый диапазон измеряемых температур (~200 оС) и высокая нелинейность являются основными недостатками ДР.

16

Rt

Rt =R0∙(1+α∆t+β∆t2)

a

Рис. 14. Линеаризация ДР: а – параллельное подключение дополнительно-

го резистора; б – последовательное подключение дополнительного резистора; в – линеаризованная характеристика

Значение R1 зависит от выбираемого диапазона температур (tcp ) и не зависит от способа подключения. Например, необходимо линеаризовать ДР с R25 =1 кОм для средней температуры 100 оС. Тогда tср =(100–25) = 75 оС;

На рис. 15 представлены линеаризованные характеристики ДР в диапа-

зоне (–25…+100) оС.

Обычно чувствительность датчиков на основе ДР ~5 мВ/оС и 50 мВ/оС

– с усилением.

Контроль температуры с помощью диодов или транзисторов осуществляется измерением напряжения на выходе при включении последних в прямом направлении (транзистор, в режиме диода Us = Eg + Kt[e ln(Is tn )], где n – коэффициент диффузии носителей (~3); Eg – ширина запрещенной зоны.

18

Отклонение от

нелинейности, %

0,4

2,6 кОм

0,2

−0,2

−50 −25 0 25 50 75 100 t, °C

2,5 кОм

−0,4

Рис. 15. Линеаризованная характеристика ДР

Ток через диод определяется выражением Is = I0 (exp(eUs )Kt −1), где

I0 =Ctn exp(− eEg Kt).

При включении в прямом направлении диода, когда Is >> I0 ,

Is = I0 exp(eUs Kt)= cmn exp[e(Us Eg )Kt].

ключаются C, I . Тогда Us =Us1(tt1 )+ Eg (1 −tt1 )+ n(Kte)lgtt1 – данная зависимость существенно нелинейна.

Чувствительность S = dUs dt = (Us1 − Eg ) 1t1 + nKe(1 + lgtt1 ).

Для транзисторов серии МТС dUdt = −2,25 + 0,0033(U −600) мВ/оС ~ ~2,5 мВ/оС.

Чувствительность таких датчиков зависит от температуры и значения обратного тока. Для устранения влияния последнего (так же, как и разброса I0 в различных чипах) обычно используют спаренные транзисторы с закоро-

ченной базой и коллектором (рис. 16). В этом случае S = d(U1 −U2 ), где U1 dt

и U2 – напряжения на клеммах «база-эмиттер» транзистора 1, 2, питаемых токами I1 и I2 (рис. 16). Для этой схемы: U1 = (Kte)lg(I1I0 );

U2 = (Kte)lg(I2 I0 ); U3 =U1 −U2 = (Kte)lg(I1I2 ).

19

γ, %

пар, но меньше, чем ТСП с одним диодом или транзистором и существенно линейнее. Рабочий диапазон измеряемых температур охватывает температуры от –50 до 150 оС, где их работа чрезвычайно стабильна. На рис. 16 показаны схема линеаризации и ее результат.

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Давление – переменная физическая величина, характеризующая поведение жидкостей и газов, является предметом изучения различных научных дисциплин, связанных с человеческой деятельностью: термо- и аэродинамики, гео- и биофизики, акустики, гидродинамики и механики. Датчики давления (ДД) востребованы в самых широких областях науки и техники – в промышленности и медицине, робототехники и индустрии развлечений. Номенклатура их использования столь широка и неожиданна, что ее вряд ли можно осмыслить. В настоящее время проблемами разработки и изготовления датчиков давления занимаются более 1000 различных фирм – от гигантов типа «Texas Instruments», «Siemens» до малоизвестных кремниевых мастерских. Мировой объем их выпуска в различных вариантах, включая нанотехнологии, более 500 млн в год. Это более 30 % от всей номенклатуры различных датчиков.

Появление датчиков давления относят к началу 60-х гг., а их промы ш- ленное освоение – к началу 70-х гг. В настоящее время доля полупроводниковых датчиков давления в общем объеме их производства составляет более

20