2. Термисторы

Особыйкласстермочувствительныхкомпонентовмикросистемоб-разуюттермисторы,изготавливаемыеизсмесиоксидовпереходныхметаллов_Mn₂O_3,MgO,Fe₃O_4,Co2O_3,NiO_.Ихосновноеотличие

состоитвтом,чтоониимеютсущественнобольшийTКС,причемTКС<0,посравнениюсописаннымиранееметаллическимиикрем-ниевымитерморезисторами.Самоназваниетермисторпроисходиткаксокращениеоборотаthermallysensetiveresistor.

Формируюттермисторыметодамикерамическойтехнологии,длячегопорошкиоксидовспекаютсявформепритемпературеоколо

1000C

иупрочняютсяспомощьюповерхностногоотжигавконтро-

лируемойатмосфере.Послеэтогоследуетметаллизацияконтактныхобластей,азатем–припайкавыводов.

Такаятехнологияобеспечиваетсозданиетолькодискретныхпри-боров,которыеобыкновенноимеютформутрубок,дисков,стержней,пластинокилибусинок.

Электропроводностькерамическихструктуризоксидовпереход-ныхметалловсущественноотличаетсяотэлектропроводностиметал-ловитакихполупроводников,какгерманийиликремний.Из-засиль-

ноговзаимодействиясионамикристаллическойрешеткиподвижностьносителейзарядавоксидныхполупроводникахоказываетсямалой.Повышениетемпературыувеличиваеттепловуюскоростьсвободныхносителейиуменьшаетрольмежкристаллитныхбарьеров(какивпо-ликристаллическомкремнии).Витогеувеличениетемпературыпри-водиткэкспоненциальномуроступодвижности,анеконцентрации,какэтонаблюдаетсявсобственномгерманиииликремнии,которыетакжеимеютотрицательныйТКС.

Температурнаязависимостьсопротивлениятермисторовописыва-

етсянесколькимитипамиэмпирическихзависимостей.Наиболеепро-стойиширокораспространеннойявляетсяэкспоненциальнаяформа(2.3.3).ЗначениекоэффициентаBлежитвпределахот700до15000Кизависитотсвойствматериалатермистора.Температурныйкоэффи-циентсопротивлениядляэкспоненциальнойформызависимостиRR(T)равен

TКC ¹

dR_B_.

R(T)dT_{T T}²

ЗначенияТКСприкомнатнойтемпературедляразличныхтерми-^{сторовлежатвпределах}^0,8...6,0^{102К1[2.11].}

Оченьчастотемпературнуюхарактеристикутермисторапредстав-ляютвобратнойформе:TT(R),итогдадляэкспоненциальнойфор-

мы(2.3.3)получаем



_T¹

_lnR

^11

 _

. (2.5.1)

_^{B RT}_0

T_0

Болееточноеописаниетемпературнойхарактеристикитермисторадостигаетсяприменениемаппроксимаций,содержащихтрипарамет-ра,например,[2.13]:

T^D

ln^R

A

, (2.5.2)

Закл ючение ₁₄₅

где

D,А,–параметрыхарактеристикитерморезистора,определяе-

мыеэкспериментально.

Другаяформа,такжесодержащаятрипараметра,имеетвид[2.20]:

1



T^ablnRclnR^3 ,

 

гдеR–численноезначениесопротивлениятермистора,вомах;

a,b,c–параметрыхарактеристикитермистора.

Существующаятехнологияизготовлениятермисторовприводиткширокомуразбросузначенийихпараметров,>10%,поэтомустан-

дартизацияхарактеристик,какэтоделаетсядляметаллическихтермо-резисторов,отсутствует.Параметрытемпературнойхарактеристикикаждоготерморезистораопределяютсяиндивидуально.

Высокаячувствительностьктемпературепозволяетприменять

термисторыдляобнаружениямалыхизмененийтемпературыоколо110^3...110^4C.Диапазонрабочихтемпературтермисторовпрости-раетсяотнесколькихкельвиновдо600К.Дляизмеренийвширокоминтервалетемпературиз-засильнойтемпературнойзависимостинеоб-

ходимоприменятьнабортермисторовразныхноминалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Термочувствительныеэлементыявляютсянеобходимойчастьюлюбогосенсоратермическогосигнала.Вглаверассмотреныфизиче-скиепринципыработыосновныхтермочувствительныхэлементов:термопар,терморезисторов,диодовитранзисторов,иприведеныихосновныетемпературныехарактеристики.

Физическиепроцессывтермопараханализируютсяприменительно

кметалламиполупроводникам.Кремний,вмонокристаллическойилиполикристаллическойформе,занимаетисключительноеположениевмикросистемнойтехнике,поэтомуеготермоэлектрическиесвойстварассмотреныболеедетально.Всоставсовременныхмикросистемвхо-дятимикрохолодильники,поэтомувглавекраткоописанытермоэлек-трическиеэффектыПельтьеиТомсона.

Терморезистивныйэффектширокоприменяетсядляизмерения

температуры.Вглавеэтотэффектрассмотренкакдляметаллических,

такидляполупроводниковыхматериалов,приведеныосновныехарак-теристикитерморезисторов.Особорассмотрендополнительныйэф-фект,существующийвкремниевыхинтегральныхтерморезисторах,связанныйсвлияниемтоковутечкичерезизолирующийp–n-переходнасопротивлениеиопределяющийверхнююграницутемпературногодиапазонаработытерморезистора.

Применениедиодовитранзистороввкачестветермочувствитель-

ныхэлементовобсуждаетсявзаключительномпараграфеглавы.Дос-тоинствомтранзистораявляетсяегоуниверсальность:врабочемдиа-пазонетемпературонможетиспользоватьсявкачествеактивногоэлементаэлектронныхцепейлибокакизмерительтемпературыиликаклокальныйнагревательдлясозданиязаданногоградиентатемпе-ратуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Датчикиизмерительныхсистем/Аш.Ж.[идр.].–Т.1.–М.:Мир,1992.– 480с.

2. СтильбансЛ.С.Термоэлектрическиеявления/Л.С.Стильбанс//Полупроводникивнаукеитехнике:сборник.–М.;Л.:Изд-воАНСССР,1957.–Т.1. –С.113.

3. ФистульВ.И.Сильнолегированныеполупроводники.–М.:Наука,1967.– 416с.

4. ModdelhoekS.SiliconSensors/S.Moddelhoek,S.A.Audet.–Acad.Press,1989.–370c.

5. SemiconductorSensors/ed.SzeS.M.–N-Y.:AWiley-IntersciencePublication,1994.–550p.

6. GeballeT.H.Seebeckeffectinsilicon/T.H.Geballe,G.W.Hull//

Phys.Rev.–1955.–V.98.–P.940–947.

7. Integratedthermopilesensors/A.W.vanHerwaarden,D.C.vanDuyn,

B.W.vanOudheusden,P.M.Sarro//SensorsandActuatorsA:Physical.–1989.–

V.22,Issues1–3, June1989.–P.621–630.

8. VolkleinF.ReviewoftheThermoelectricEfficiencyofBulkandThin–FilmMaterials/F.Volklein//SensorsandMaterials.–1996.–V.8,№6.–Р.389–408.

9. БлаттФ.Физикаэлектроннойпроводимостивтвердыхтелах/Ф.Блатт.– М. :Мир,1971.–470с.

10. ЗеегерК.Физикаполупроводников/К.Зеегер.–М.:Мир,1977.–

615с.

Литература ₁₄₇

11. КительЧ.Введениевфизикутвердоготела/Ч.Китель.– М.,1978.– 790с.

12. ThermalSensors/ed.byG.C.MMeijer,A.W.vanHerwaarden.–Insti-tuteofPhysicsPublishing.–1995.–300 p.

13. ПасынковВ.В.Полупроводниковыеприборы/В.В.Пасынков,Л.К.Чиркин,А.Д.Шинков.– М. :Высшаяшк.,1981.– 431с.

14. ГридчинВ.А.Нелинейнаямодельинтегральноготензорезисторас

изолирующимp–n-переходом/В.А.Гридчин//Изв.вузов.Сер.«Радиоэлек-троника».–1978.–Т.21. –С.73–77.

15. СтепаненкоИ.П.Основытеориитранзисторовитранзисторныхсхем/И.П.Степаненко.– М. :Госэнергоиздат,1977.– 376с.

16. ШалимоваК.В.Физикаполупроводников/К.В.Шалимова.–М.:Энергия,1987.– 415с.

17. ГридчинВ.А.Расчеттемпературнойиконцентрационнойзависимо-стиэлектропроводностидиффузионныхслоевкремния/В.А.Гридчин,А.С.Бердинский//Электроннаятехника.Сер.«Материалы».–1977.–№1.–С.72–76.

18. ShuwenG.TemperaturecharacteristicsofMonocrystallineandPolicrys-tallineSiliconpressuresensors/G.Shuwen,T.Songshen,W.Weiynan//SensorsandActuators,A.Physical.21,Issues1–3.–1990.–P.133–136.

19. McNamaraA.G.Semiconductordiodesandtransistorsaselectricalthermometers/A.G.McNamara//Rev.Sci.Instruments.–1962.–V.33.–Р.330–333.

20. ФрайденДж.Современныедатчики:справочник/Дж.Фрайден.–М. :Техносфера,2005.– 583с.

21. GermerW.Microcristallinesiliconthinfilmsforsensorapplicationen/

23. Germer//SensorsandActuators.–1985.–V.7.–Р.135–142.

ГЛАВА3

ПРИМЕРЫПРАКТИЧЕСКОЙРЕАЛИЗАЦИИТЕРМИЧЕСКИХСЕНСОРОВИАКТЮАТОРОВ

ВВЕДЕНИЕ

Вэтойглаверассмотримпримерысенсоровиактюаторовтермиче-скогосигнала.

Сенсорытермическогосигналаразделяютсянасамогенерирующие

имодуляционные.

ВсамогенерирующихсенсорахэнергиявходногосигналаPприво-

дитквозникновениюразноститемпературыT

всоответствииспро-

изведением

TG^1P,гдеG–термическаяпроводимость.Еслидля

измеренияT

применяютсятермопары,которыесамиявляютсясамо-

генерирующимиЭДС-элементами,тополучаетсясамогенерирующий

сенсор,построенныйпотандемномупринципупреобразования,когданетермическийсигналпреобразуетсявразностьтемператур,котораядалеепревращаетсявэлектрическийвыходнойсигнал.Длясамогене-рирующихсенсоров,такимобразом,нетребуетсяинойэнергии,кромеэнергиивходногосигнала.Примерамитакогородасенсоровявляютсясенсорыинфракрасногоизлучения,измерительсреднеквадратичногозначенияпеременноготока,микрокалориметры.

ВмодуляционныхсенсорахотвнешнегоисточникаподводитсяэнергияP,которая,рассеиваясь,идетнанагревсенсораисоздаетвнемпервоначальноераспределениетемпературы.Измеряемыйвход-нойсигналменяет(модулирует)термическуюпроводимость^Gсенсо-

^{ра,результатомчегоявляетсяизменениетемпературы}T

егочастей.

Сенсорсчитаетсямодуляционнымивтомслучае,когдавторойшаг–

^{преобразованиеразноститемпературы}T

вэлектрическийсигнал–

идетспомощьюсамогенерирующихэлементов(например,термопар).

Модуляционныесенсорымогутработатьвдвухразличныхре-

жимах.

1. ^{Режимпостоянноймощности,когдамощностьразогреваPпод-держиваетсяпостояннойирегистрируетсяизменениетемпературы}Tмеждучастямисенсора.

2. Режимпостояннойтемпературы,когдараспределениетемпера-турымеждучастямисенсораподдерживаетсянеизменным,апривоз-действииизмеряемогосигналаменяетсявеличинамощностиразогре-

ва.Вобоихрежимахработыотношение

T/PG^1

определяется

величинойтермическойпроводимости,накоторуювоздействуетвход-нойсигнал.

Первыйрежим–наиболеепростойдлятехническойреализации,

однакоприизмерениидинамическихвеличинпостояннаявременипе-

реходногопроцесса

^C,гдеC–теплоемкостьсенсора,можетока-

G

затьсяслишкомбольшой.

Вовторомрежимеработытребуетсявведениевэлектрическуюсхемусенсорадополнительнойцепиобратнойсвязи,котораяпозволя-

лабыуправлятьмощностьюPприизменениитемпературы

T.По-

стояннаявременитакогопроцессасущественноменьше,чемдляпер-

вогорежима,адинамическиехарактеристикисенсора–значительнолучше.