МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО СХЕМОТЕХНИКЕ
ТЕМА: «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ»
ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТЫ ФПК 3-2
Мазилина Е.А.
Мазилин С.В.
Москва 2001г.
ПЛАН КУРСОВОЙ РАБОТЫ.
1. ВВЕДЕНИЕ.
2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ.
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ.
4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ.
4.1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов.
4.2. Датчики температуры на основе терморезисторов.
4.3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.
2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах – там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д. [1].
В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электродуховок и т.п.
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ
Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между
собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.
Перечислим основные из этих характеристик [2]:
1. Функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины:
y = f(x) (1)
Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x – в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры – Ом/°С или мВ/К.
2. Чувствительность – отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины:
S = dy/dx (2)
Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительност датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.
3. Порог чувствительности – минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.
4. Предел преобразования – максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования по крайней мере на 10%.
5. Метрологические характеристики – определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.
Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения.
Основными видами систематических погрешностей являются:
- погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры [3];
- погрешности, обусловленные вариацией функции преобразования вследствие изменения направления действия входной величины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);
- погрешности, обусловленные несоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входной величины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;
- дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;
- погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.
6. Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.
7. Эксплуатационные характеристики – к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.
8. Стоимость и возможность серийного производства.
4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ
Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости [4]. На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качестве полупровод-
никовых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протекающего через полупроводниковый прибор [4].
4.1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов.
В датчиках температуры на основе диодов и транзисторов используют зависимость параметров p-n перехода в полупроводнике от температуры.
Исторически первым температурозависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с температурой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10%.К-1. Однако, диапазон температур, в пределах которых возможно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.
Наибольшее распространение получило использование прямых параметров диодов и транзисторов [5]. Их существенными преимуществами перед обратными являются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочих температур, высокая стабильность. Чаще всего для измерения температуры используется прямое напряжение на p-n переходе при почти постоянном токе эмиттера. Изменение прямого напряжения составляет порядка 2,5 мВ.К-1. При повышении температуры транзисторов p-n-p типа напряжение эмиттер-база из области положительных значений переходит в область отрицательных.
Так например, датчик TS-560, разработанный ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург) представляет собой полупроводниковый диод на основе арсенида галлия. Диапазон измерения такого датчика (4,2…500) К, основная погрешность ±0,1%, чувствительность (2…3) мВ/К, габаритные размеры 3´3 мм [2].
Известны случаи использования в качестве температурозависимого параметра коэффициента усиления по току на низких и высоких частотах [5]. Однако невысокая чувствительность коэффициента усиления к температуре и его зависимость от предыстории, а также необходимость индивидуальной градуировки во всем диапазоне рабочих температур ограничивают применение этого параметра при создании термодатчиков.
На основе транзисторов, эмиттерный переход которых включен в одно из плеч моста, созданы термодатчики типа ТЭТ-1, ТЭТ-2 [5]. Первый тип используется для измерения температуры в полевых условиях в диапазоне (-10…+40) °С с основной погрешностью не более ±1 К, второй – в диапазоне (-40…+80) °С с погрешностью не более (0,3…2) К.
Температурные пределы применимости транзисторов в термодатчиках значительно шире, чем при использовании транзисторов по прямому назначению. Ограничение применимости со стороны высоких температур наступает вследствие перехода примесного полупроводника в собственный, уменьшения пробивного напряжения и повышения генерации носителей в базовой области при отрицательных напряжениях. Применимость при низких температурах определяется уменьшением концентрации основных носителей из-за дезактивации легирующих примесей и уменьшения коэффициента усиления по току.
Основным недостатком рассматриваемых термодатчиков является сложность получения их номинальной статистической характеристики из-за разброса основных параметров транзисторов: коэффициента усиления по току, сопротивления базовой области, тока утечки и др. Анализ и оценка влияния разброса указанных параметров на точность измерения температуры при использовании номинальной статистической характеристики, выполненные в [5], показали, что для прямых параметров транзисторов с градуировкой при одной температуре погрешность измерения в схеме с общим эмиттером – не более 2 и 50% при коэффициенте усиления по току b£30 и b³200 соответственно.
Важной характеристикой для широкого внедрения термодатчиков на основе транзисторов и диодов является стабильность их параметров. Результаты исследования долговременной стабильности термодатчиков на основе транзисторов с температурозависимым параметром – прямым напряжением на p-n переходе в зависимости от температуры и длительности эксплуатации, приведенные в [6] показывают, что погрешность измерения ими может составлять (0,01…0,15) К в первый год эксплуатации и (0,002…0,04) К - во второй год. Основными причинами нестабильности следует считать обратимый процесс гидратации-дегидратации оксидного слоя на поверхности полупроводникового кристалла и возникновение остаточных деформаций в нем вследствие неодинаковости температурных коэффициентов линейного расширения материалов деталей транзисторов [6].