4.7. Некоторые применения датчиков температуры

4.7.1. Микроэлектронные датчики температуры на основе

полупроводниковых материалов

Широкое внедрение систем автоматического управления и регулирования температуры в производстве вызывает необходимость развития разработок и серийного изготовления современных электронных датчиков температуры. При этом преимуществами по сравнению с датчиками других типов по массогабаритным характеристикам, надежности, технологичности изготовления обладают твердотельные датчики, в которых чувствительный элемент выполнен на основе полупроводниковых материалов, позволяющих использовать микроэлектронную технологию и наилучшим образом приспособленных к дальнейшей интеграции – совмещению функций в одном кристалле [4].

Монокристаллический кремний р- и n- типов проводимости применялся для создания чувствительных элементов, имеющих как отрицательный температурный коэффициент сопротивления, так и положительный. В первом случае в основе изготовления ЧЭ лежит метод диффузионного легирования кремния примесями, имеющими глубокие уровни в запрещенной зоне. Диффузионное легирование осуществлялось по всему объему кристалла с дальнейшим более сильным подлегированием основной примесью областей контактных площадок для уменьшения неомичности сопротивления терморезистора. ЧЭ имел размеры 1х1х0.5 мм, ТКС, равный 4 %/град. при 20 С, и отличался высокой стабильностью градуировочной характеристики. Суммарная погрешность с учетом длительного хранения не превышала 0.05 С [5].

Предназначен ЧЭ для работы в диапазоне температур 223 – 323 К. Верхний предел измерения определялся насыщением уровня легирующей примеси носителями и уменьшением при этом ТКС до 0.5 %/град. и ниже. В зависимости от режима изготовления граница может быть доведена до 350 К. Нижняя граница применимости определяется, в основном, техническими возможностями измерения. При температуре 173 К сопротивление ЧЭ составляет примерно 100 кОм.

Характеристики серийных датчиков (ТЭ 233, 234 и 239) приведены в табл. 4.1. Датчики миниатюрны, обладают хорошим быстродействием, успешно эксплуатируются в системах терморегулирования при стендовых испытаниях [4].

Таблица 4.1

Характеристика	Тип термометра
	ТЭ 233, 234, 239	ТЭ 260, 287	ТЭЭ 352, 295 ТЭ 255
Материал ЧЭ	Кремний р-типа	Кремний n-типа	КНС
Область применения	Поверхность, воздушная среда, медицина	Поверхность, медицина	Поверхность
Диапазон измеряемых температур,С	0…50	–50…+250	–200…+300
Температурная чувствительность, %/град.	4	0.75	0.15
Номинальное значение сопротивления при 20 С, Ом	500	1500, 3000	700, 1000
Степень подгонки значения сопротивления, %	5	1, 5	3
Тепловая инерционность, с	1…3	1…3	0.1…0.5
Ресурс, ч	2·104	1·104	5·103

Рис.4.19. Температурная зависимость кремниевого ЧЭ

Для применения в области температур 223 – 523 К разработаны ЧЭ с положительным ТКС на основе кремнияn-типа проводимости с удельным сопротивлением 4.5 Ом·см. Они имеют планарную структуру, изготовлены в виде прямоугольной пластины, размеры которой могут составлять 1х2; 2 х4; 3х4 мм в зависимости от конкретного типа датчика. На верхней поверхности кристалла сформированы контактные площадки в форме круга или квадрата размером 12...100 мкм. Варьирование размерами контактных площадок позволяет проводить подгонку номинальных значений сопротивлений ЧЭ. Область контактных площадок, а также нижняя поверхность кристалла легируются до n⁺-состояния, толщина их составляет 3.5 – 4 мкм. Температурная зависимость сопротивления кремниевого ЧЭ представлена на рис. 4.17. Значение ТКС составляет 0.75 %/град.

Рис. 4.20. Внешний вид термометра ТЭ 260 в разрезе:

1 – ЧЭ; 2 – корпус; 3 – провода; 4 – плата; 5 – защитное покрытие

Благодаря использованию микроэлектронной технологии обеспечена высокая точность – разброс сопротивлений при комнатной температуре составляет 1 %, погрешность измерений во всем диапазоне не превосходит 1 %.

На основе кремниевого ЧЭ разработаны датчики для измерения температуры поверхности, воздушной среды и для применения в медицине. На рис. 4.20 показан внешний вид термометра ТЭ 260 в разрезе и его габаритные размеры. Особенностью термометра ТЭ 260 является наличие в нем кроме кремниевого терморезистора еще и пассивного резистора, изготовленного из резистивного сплава, что позволяет использовать термометр как активный элемент схемы (так называемая схема полумоста) c "вольтовым" выходом. Чувствительность этой схемы ~ 20 мВ/С при напряжении питания 6 В.

Для применения в области температур 73 – 573 К разработаны ЧЭ на основе использования пленочных кремниевых структур – гетероэпитаксиальных пленок кремния, выращенных на сапфировой подложке (КНС) [7]. Применение структур КНС определяет ряд преимуществ перед монокристаллическим кремнием: это, в первую очередь, более широкий диапазон измеряемых температур, затем – наличие электроизоляционного слоя между пленкой кремния и измеряемой поверхностью (сапфир). Кроме того, упрощается конструкция термометра благодаря возможности создания гальванических слоев под контактные области, что исключает переходные платы от ЧЭ к измеряемой схеме. ЧЭ изготовлялся по планарной технологии, применение которой позволяет довести величину разброса номинальных сопротивлений до0.5 %, используя методы подгонки, например, с помощью лазера [6].

Рис. 4.21. Температурная зависимость относительного изменения

сопротивления ЧЭ на основе КНС

Характеристики датчиков на основе КНС (ТЭ 255, ТЭЭ 295, ТЭЭ 352) представлены в таблице 4.1.

Температурная зависимость сопротивления близка к линейной (рис. 4.21). Чувствительность составляет ~ 7 мВ/С при токе 5 мА и сопротивлении датчика 1 кОм. Датчики на основе КНС обладают высокой временной стабильностью и стойкостью к механическим, климатическим и радиационным воздействиям.

4.7.2. Медный пленочный термометр сопротивления

Температурные измерения в диапазоне –250...+300 С, как правило, осуществляются проволочными термометрами сопротивления из меди и платины. К недостаткам проволочных термометров относится индивидуальная технология их изготовления: намотка, подгонка номинального сопротивления и монтаж ЧЭ. Все это приводит к большой трудоемкости изготовления термометров. Названные недостатки могут быть преодолены с помощью микроэлектронной технологии, которая позволяет изготовить пленочные металлические ЧЭ для использования в термометрах сопротивления. Основные ее преимущества – возможность массового изготовления ЧЭ без применения ручного труда, автоматизация процесса подгонки номинального сопротивления и монтажа ЧЭ в термометре.

Разработаны термометры сопротивления с пленочными медными ЧЭ типа ТМ 273 и ТМ 284 для диапазона температур –200...+200 С, который наиболее распространен в различных отраслях промышленности [8].

Основные технические характеристики термометров ТМ 273 и ТМ 284:

– диапазон температур,С – –200...+200;

– номинальное сопротивление при 0С, 0м:

ТМ 273 – 50  0.1,

ТМ 284 – 100  0.1;

– температурный коэффициент сопротивления, 1/С – (4.0·10^-3)0.1;

– воспроизводимость градуировочной характеристики в течение ресурса,С – 0.2...2.5;

– показатель термической инерции, с – 0.3...0.6;

– рабочий ток, мА – до 0.1;

– ресурс работы, ч – 10000.

Конструкция ЧЭ показана на рис. 4.22.

Медный пленочный ЧЭ представляет собой подложку 1 из ситалла, сапфира, поликора или другого изоляционного материала с напыленным на нее медным меандром. К контактным площадкам 4 припаиваются токовводы 2 из провода МС–16. Сверху ЧЭ закрыт защитным покрытием 3 от воздействия окружающей среды. Для изготовления ЧЭ применяется технология вакуумного напыления медной пленки на подложку с последующим формированием меандра и контактных площадок методом фотолитографии. Подгонка величины сопротивления в номинал осуществляется лазерным методом.

Рис. 4.22. Конструкция термометра сопротивления ТМ 273:

1 – подложка; 2 – токовводы; 3 – защитное покрытие; 4 – контактные площадки

Защитное покрытие обеспечивает эксплуатацию термометров при температуре до 300 С с сохранением их метрологических характеристик [9].

4.7.3. Платиновый пленочный термометр сопротивления

Доля резистивных и термоэлектрических термопреобразователей, используемых в технике, составляет сейчас 94 % всех средств измерения температуры. Однако терморезистивные преобразователи по сравнению с термоэлектрическими имеют такие преимущества в области температур –50...+650 С, как высокая чувствительность, стабильность характеристик, относительная дешевизна и простота использования, что способствует дальнейшему их распространению в основных отраслях промышленности.

Терморезисторы могут успешно использоваться с компьютерными системами. Ожидается, что они будут преобладать в системах цифрового контроля на производстве.

Несмотря на то, что в последние годы идет интенсивный поиск различных новых средств измерения температуры, платиновый термометр сопротивления (ТСП) пока остается вне конкуренции. В США, например, их производством занимается около 40 фирм.

Обычно ЧЭ ТСП изготавливается из тонкой проволоки или фольги строго определенного электрического сопротивления, со стабильным ТКС. Однако использование проволочных и фольговых ТСП имеет значительные ограничения из-за низкого быстродействия и относительно больших размеров ЧЭ, а уменьшение диаметра проволоки и толщины фольги сильно усложняют технологию изготовления ЧЭ и влечет за собой резкое увеличение цены ТСП.

Ведущие в области микроэлектроники зарубежные фирмы разработали тонкопленочные термометры сопротивления. Применение тонких пленок позволяет существенно снизить содержание платины в ТСП, уменьшить габаритные размеры, использовать массовую технологию производства и тем самым снизить цену изделия.

Наиболее распространенными и используемыми в Европе стандартами на платиновые термометры сопротивления являются немецкий стандарт DIN 43760 и английский стандарт BS 1904. Эти национальные стандарты получили международное признание, поскольку в Германии и Великобритании находятся основные предприятия–изготовители термометров. Стандарты DIN и BS ссылаются на термометры, имеющие величину ТКС, равную 0.00385 1/С [9].

В процессе изготовления пленочных резистивных термометров наиболее трудно достижимой и воспроизводимой метрологической характеристикой является ТКС из-за влияния на его величину многих факторов и условий в процессе изготовления ЧЭ термометров, о чем свидетельствуют многочисленные зарубежные публикации.

Из множества методов, позволяющих получить тонкие терморезистивные пленки, наиболее перспективным является метод магнетронного напыления, обладающий рядом преимуществ, к которым относятся: высокая адгезия пленок, однородность покрытий по толщине, возможность создания установок и линий непрерывного действия с полной автоматизацией всего процесса получения пленок с заданными свойствами.

Для подложки ЧЭ ТСП используется поликор с содержанием оксида алюминия не менее 94 %.

Исследование состава поверхностного слоя подложки методом оже-спектроскопии показало, что поверхность стандартной полированной пластины из поликора содержит значительное количество углерода, серы, несвязанного кислорода и другие несвязанные примеси. Очистка такой поверхности может быть достигнута при обезжиривании и последующей ионной бомбардировке аргоном с энергией 0.7 кэВ, мощностью 250 Вт в течение 30 минут. Но при этом поверхность насыщается атомами аргона. Достаточно продолжительная обработка для очистки поверхности подложки низкоэнергетическими ионами аргона и последующая откачка камеры до степени разрежения более 10^-3 Па, исключающая имплантацию послед- них, позволяет избавиться от образования вздутий платиновой пленки, возникающих в результате выделения газообразующих примесей имплантированного аргона на границе раздела фаз подложка – платиновое покрытие.

Нанесение платинового покрытия на подложку из поликора осуществляется распылением планарной платиновой мишени в атмосфере аргона и смеси аргона с кислородом. Платиновая мишень устанавливается на водоохлаждемый электрод с вмонтированным в него постоянным магнитом. К электроду подводится переменное напряжение высокой частоты (ВЧ) от генератора через устройство, согласующее импеданс генератора с импедансом камеры. Максимальная плотность мощности на мишени достигает 10 Вт/см². Перед началом распыления камера откачивается до максимально достижимого разрежения (порядка 10^-5 Па), а затем подаются в нее через расходомер плазмообразующие газы для поддержания общего давления в камере 20 Па. Такое давление при мощности на мишени до 200 Вт является близким к оптимальным параметрам для зажигания тлеющего разряда. Напряжение ВЧ от генератора может подаваться через распределительное устройство либо на мишень, либо на подложкодержатель. В последнем случае появляется возможность проводить ионное травление подложек. Питается система напряжением ВЧ частотой 13.56 МГц, что позволяет распылять и обрабатывать ионным травлением непроводящие подложки, изготовленные из поликора.

Для пленок, наносимых в кислородсодержащей газовой смеси, ТКС составлял 0.00385 1/С, а без кислорода не превышал величины 0.0032 1/С. Предположительно кислород, внедренный в решетку, при реактивном напылении образует химическую связь с платиной, на что указывает наблюдаемое смещение линий Pt в ожеспектрах. Механизм влияния кислорода на ТКС ТСП пока не ясен. Возможно, влияние кислорода проявляется в образовании им летучих соединений с примесными элементами.

В целях стабилизации значения ТКС после нанесения платиновых пленок проводится отжиг структур ТСП на воздухе. Высокотемпературный отжиг приводит к изменению структуры Pt-пленок. Растровая электронная микроскопия излома пленок позволяет регистрировать при отжиге исчезновение характерной столбчатой структуры как в случае пленок, полученных напылением в кислородсодержащей атмосфере, так и напыленных в чистом аргоне. Хотя различий в морфологии Pt-пленок, напыленных в безкислородной и кислородсодержащих средах, не наблюдается, различие значений ТКС для таких покрытий существенно.

Изготовленные пленочные ЧЭ ТСП представляют собой пластину из диэлектрического материала (подложку из поликора) с напыленным слоем платины толщиной 1–3 мкм, сформированным в виде меандра, с платиновыми токовводами, выполненными по четырехпроводной схеме.

Исследования зависимости ТКС от толщины напыленного слоя платины показали, что при одинаковых условиях напыления толщина резистивного слоя платины в пределах 1–3 мкм не оказывает заметного влияния на температурный коэффициент сопротивления ТСП.

Существенное влияние на ТКС напыленных слоев платины оказывает состав плазмообразующей смеси. Наличие кислорода в газовой смеси в процессе напыления позволяет получить пленочные ТСП с величиной ТКС, близкой к ТКС платиновой проволоки марки Пл–4 (ГОСТ 21007–75), а также в соответствии с немецким стандартом DIN 43760.