2. Сенсори температури з hk

2.1. Сучасний стан напівпровідникової термометрії

Серед сенсорів найбільше поширення одержали сенсори температури, тому що близько 25 % усіх вимірювань припадає на температурні вимірювання. До сучасних сенсорів температури поставлені такі вимоги, як висока стабільність, мала інерційність, широкий діапазон вимірювань, універсальність, взаємозамінність, низька вартість, їх ціна на світовому ринку в залежності від функціонального призначення, точності знаходиться в межах 0,5-150 $. Річний випуск їх перевищує 10⁹ штук.

Термометри потрібні як високоточні прилади (±0,001 K), а також як прилади широкого призначення (±0,1 K). До головних недоліків існуючих сенсорів можна віднести нерівномірну чутливість у діапазоні, складність виготовлення, інерційність і т.п. Найбільш поширеними напівпровідниковими матеріалами для давачів є Ge, Si, GaAs, а у низькотемпературному діапазоні -p-GaAs, ядерно легований Ge, діоди із Si і GaAs.

Перші розробки резистивних сенсорів температури були виконані на об'ємних монокристалічних або полікристалічних напівпровідниках, потім на плівкових матеріалах і, накінець, - на ниткоподібних кристалах.

Першими досліджуваними матеріалами були HK Si, Ge, твердих розчинів Si-Ge. Львівські дослідники підбирали легуючі домішки і їх концентрації, створювали давачі на середній діапазон температур. Створювали р-п переходи та неоднорідні структури на HK Si, підвищуючи при цьому їх чутливість, а також створювали багатофункціональні сенсори (тензотермодавачі).

Зупинимося на резистивних давачах із сполук АзВз-лідером цієї групи напівпровідникових матеріалів є GaAs. Майже одночасно були створені термометри (ТСАД) для низьких температур (0,5-100 К) на основі діркового арсеніду галію, легованого Zn, та для діапазону 4-77 K.

На основі GaAs, легованого глибокими акцепторними домішками (Cr, Fe, Cu), створені високочутливі матеріали на діапазон 273-473 K. їх перевага - лінійна градуювальна характеристика в координатах IgR = f(l/T), головний недолік - зміна номіналів у межах 4-5 порядків, обмеженість температурного інтервалу.

Подальші дослідження плівкового GaAs, а також об'ємного матеріалу, одержаного методом Чохралъського, в напрямку створення домішково-комплексних рівнів, дозволили змінювати чутливість термометрів S = R/TR у межах 1,6-6,8 %/К, а також трохи розширити температурний діапазон.

Були повідомлення про можливості застосування у термометрії таких матеріалів AsBs, як TnSb, GaSb, при цьому чутливі елементи були виготовлені із HK GaSb , HK AlSb .

Окремий напрямок становить р-п - термометрія. Відзначимо, що з часу перших робіт, виконаних у кінці 60-х років на діодах GaAs, з'явилося багато публікацій з діодних (транзисторних) термометрів, їх перевагою є лінійність вихідної характеристики у широкому діапазоні з чутливістю 2-3 мВ/К і точністю -0,1 K.

Що дає напівпровідникова термометрія на основі HK?

По-перше, незалежно від матеріалів ЧЕ, це спрощення технології виготовлення ЧЕ, її економічність (в одній кварцовій ампулі можна одержати до 1000 HIC, що не вимагають в подальшому додаткової обробки - механічної, хімічної для створення ЧЕ); по-друге, це мініатюрність приладів, а отже, їх мала інерційність; по-третє, завдяки структурній досконалості HK, підвищена їх стабільність і надійність. Останніх два фактори можна віднести до метрологічної переваги термометрів з HK.

Які питання можна вирішити, застосовуючи напівпровідникові HK групи А₃В₅ ?

По-перше, розширюється температурний діапазон - як у бік низьких температур (0,4 K), так і у бік високих (573 K); по-друге, можливість забезпечення за рахунок спеціального легування (безпосередньо при рості HK) заданих номіналів, чутливості терморезисторів (TP), зокрема, рівномірної чутливості у діапазоні, і, в результаті, забезпечення точності ±0,01 K; по-третє, здійснення апроксимації градуювальних характеристик однією експонентою (GaAsP), або поліноміальним наближенням (GaAs); по-четверте, це розширення функціональних можливостей TP - можливість вимірювання швидкостей газових потоків, теплових випромінювань, потужності НВЧ; і, по-п'яте, використання розмірних факторів, термообробки, які дозволяють змінювати номінали опорів TP; і, вкінець, розроблення оригінальних конструкцій сенсорів температури, у яких реалізується їх специфіка і переваги.