zPUs6LtHHJ

При ширине перехода ~ (1...10) 10−4 см быстродействие определяется соотношением ts =Wvдр =10−4 см107 смс ~ 10−10...10−11 с. Поэтому фотодиоды используются в скоростных системах типа «передача информации по волоконно-оптической связи модулированием светового потока». Наличие спектральной чувствительности позволяет разрабатывать системы с цветным «зрением».

В оптопарах фото- и светодиоды работают как ключи или служат датчиками дыма, пыли и пр. Светодиод – прямо смещенный p–n-переход, в котором происходит излучательная рекомбинация носителей. В принципе, все прямо смещенные p–n-переходы – светодиоды, но суть в том, что в обычных диодах большая часть носителей, лежащих вне диапазона видимого излучения, рекомбинируют с энергией hν. Длина волны рекомбинированных носителей определяется по формуле ~ hcEg . Для кремния при максимальной

спектральной чувствительности Eg ~ 1,1 и λизл =1,241,1 ~ 1,19 мкм. Увеличение Eg (за счет добавок Р, AL) позволяет перевести излучательную ре-

комбинацию в видимый диапазон. На практике это производится широкозонными полупроводниковыми гетероструктурами типа AlxGa1−xAs .

ТЕПЛОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

К тепловым приемникам излучения (ТПИ) относятся первичные преобразователи, чувствительные к инфракрасному излучению (0,8…12 мкм). В ИК-датчиках происходит поглощение излучения от объекта, приводящее к нагреву сенсора и изменению его выходных параметров, в частности у фотодиодов – к изменению значения темнового тока с температурой. В случае болометров (резисторов) изменяется их электрическое сопротивление, появляется термоЭДС в месте контакта проводников, отличающихся своими свой-

ствами (эффект Зеебека).

Тепловые приемники могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми. В общем виде все ТПИ, как и любой сенсор, характеризуются коэффициентом преобразования K = ∆U∆T ( ∆U – приращение сигнала на выходе при изменении температуры на ∆T ) и постоянной времени τ = Cσ, где C – теплоемкость (ЧЭ); σ – тепловая проводимость между ЧЭ и окружающей средой.

11

Для болометров, когда термосопротивление включено в одно из плеч моста Уинстона, выходной сигнал определяется выражением

ния. Тогда чувствительность S =Us EпT .

Для болометров характерна чувствительность S в полосе пропускания в пределах 1…100 В/Вт, быстродействие 1…10 мс, обнаружительная способ-

ность в полосе пропускания датчика D ~ 108...109 Гц Вт−1 .

Для датчиков на основе термоэлементов чувствительность определяет-

ся выражением S = ∆∆TE N , где N – число термоэлементов; ∆E – ЭДС Зеебе-

ка (обычно, S =1...100 BBτ, τ=1…1000 мс, D ~ 108...1010 ) Гц Вт−1). Описанные структуры в виде дискретных элементов малоинтересны

как датчики температуры. Наиболее перспективными направлениями их использования являются формирование теплового отображения предметов и контроль тепловых полей.

Основное требование, предъявляемое к датчикам отображения, заключается в возможности генерации совокупности сигналов, представляющих значение тепловой «освещенности» в различных точках изображения. Такой датчик отображения состоит их множества сенсоров (матрицы), где каждый пиксель (Pixel of picture element – элемент разложения картины) выдает свой сигнал. После опроса каждого пикселя необходимо восстановление исходного изображения.

Датчик отображения организуется следующим образом: сигналы с матрицы первичных преобразователей (ПЭ), объединенных в строку или столбец, поступают в накопители информации (зарядовые устройства на основе МОП-конденсаторов), а далее – в средства коммутации, обработки сигнала и восстановления изображения.

ной сигнал; tE(λ) – экспозиция; E(λ) – освещенность данного спектрального состава.

12

фотоприемники различного типа, а для ИК – фотоприемники и болометры. Если при изготовлении фотоприемников видимого спектра излучения особых проблем нет. то для ИК эта задача окончательно не решена. Для создания качественного ИК-отображения с хорошим спектральным и пространственным разрешениями используются в основном фотоэлектронные матрицы

(106 элементов), работающие при криогенной температуре, что необходимо для уменьшения собственных шумов и выделения сигнала в окнах прозрачности атмосферы (3…5 и 8…14 мкм).

(Биологическими аналогами ТПИ могут служить некоторые змеи, имеющие «зрение» в диапазоне 8…14 мкм, обнаруживая изменение температуры на 3 К, т. е. лучше современных матричных ТПИ).

Неохлаждаемые матрицы на основе ТПИ в отличие от квантовых (ф о- то) могут работать во всем диапазоне ИК - излучения, но быстродействие их невелико.

Ведущие фирмы мира работают в направлении увеличения быстродействия за счет уменьшения тепловой проводимости сенсоров (уменьшение τ) и в направлении увеличения поглощения в широком спектральном диапазоне.

В качестве примера рассмотрим микроболометрическую матрицу (рис. 10). На рисунке показан внешний вид одного пикселя.

Технологический маршрут изготовления матрицы довольно сложен, требует высокой прецизионности проведения операций. Составляющие блоки такого процесса: а) формирование двухуровневой металлизации (Al) с промежуточной изоляцией; б) создание «жертвенного» слоя, толщина которого соответствует высоте вывешенных площадок; в) формирование чувствительных элементов и соединение их с металлической разводкой; г) удаление «жертвенного» слоя под чувствительными площадками (тем самым происходит вывешивание чувствительных элементов).

13

Проблема измерения температуры стоит в установлении зависимости свойств материала от температуры. Чувствительность таких датчиков определяется приращением выходного сигнала ( ∆U , ∆R, ∆I, ∆ЭДС и т. д.) в диапазоне температур. Очевидно, что датчики температур в основной своей массе существенно нелинейны, поэтому проблема из линеаризации весьма актуальна, что осложняется наличием собственных термодинамических свойств материалов и окружающей среды. Но несмотря на сложности в градуировке и обработке выходного сигнала номенклатура датчиков температуры весьма широка (термометры, металлы (Pt, Ni), термопары на основе эффектов Пельтье, Томсона, Зеебека и т. д.) из-за относительной доступности и простоты изготовления приемников (первичных преобразователей температуры).

Из малогабаритных датчиков температуры интерес представляют преобразователи, изготовляемые по интегральной технологии, отличающиеся воспроизводимыми выходными параметрами, – поверхностные зонды, диффузионные резисторы, позисторы. Первые представляют собой обычную «гребенку» из металла на теплоизолирующей подложке, изготавливаемую методом тонкопленочной технологии и литографии. В качестве материала «гребенки» используют Pt, Fe-Ni. Чувствительность резистивных Pt-датчиков

Подобные датчики очень нелинейны и линеаризуются с помощью дополнительного подстроечного сопротивления.

Дополнительные резисторы могут быть изготовлены в едином технологическом цикле или в гибридном исполнении.

Термисторы отличаются бóльшей чувствительностью (~ в10 раз), чем металлические «гребенки», и имеют отрицательный термический коэффициент сопротивления (ТКС). Они изготавливаются из полупроводниковых оксидов металлов – MgO, Mn2O3, F3O4, NO, ZnTiO4 по толстопленочной технологии: нанесение на подложку, спекание (1000…1400 оС), травление, формирование контактов, старение. Высокая чувствительность термисторов к температуре позволяет применять их для контроля очень малых ее изменений (от 10–4 до 10–3 К). Изменение сопротивления термисторов зависимости от

15

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