Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на симпозіумах, конференціях: конференції ECLC 97. Наука і технологія, Польща, Закопане, 1997р. ; 6-тій науковій конференції “Електронна технологія”, Польща, Криніца, 1997р. ; 1-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Польща, Жешув, 1997р. ; 21-шій конференції ISHM, Польща, Устронь, 1997р. ; 6-му Міжнародному симпозіумі “Передові дисплейні технології”, Україна, Партеніт, 1997р. ; 5-тій науковій конференції “Оптоелектронні і електронні сенсори”, Польща, Юрата, 1998р. ; 22-гій конференції IMAPS, Польща, Закопане, 1998р. ; 2-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Україна, Львів, 1998р; 3-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Словаччина, Кошіце, 1999р. ; 23-тій конференції IMAPS, Польща, Кошалін-Колобжег, 1999р. ; 7-мій конференції “Світловоди та їх застосування”, Польща, Красноброд, 1999р. ; 4-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Німеччина, Цвікау, 2000р. ; конференції “Оптоелектронні інформаційні технології”, Україна, Вінниця, 2000р. ; 5-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Румунія, Пітешті, 2001р. ; AMSE конференції з моделювання, Україна, Львів, 2001р. ; 25-тій конференції IMAPS, Польща, Жешув-Полянчик, 2001р.

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 48 наукових працях, у тому числі в 5 монографіях, 27 статтях у фахових виданнях, 9 патентах на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку літератури зі 196 найменувань та додатку. Загальний обсяг роботи становить 345 сторінок, у тому числі 313 сторінок основного тексту, 179 рисунків, 20 таблиць.

 

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи з науковими планами, темами. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглядаються практична цінність та впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації.

У першому розділі проаналізовані принципи побудови та основні тенденції розвитку мікроелектронних сенсорів температури на основі інтегральної електроніки та оптики. Показано, що певні класи сенсорів температури розвинені недостатньо, а актуальність таких сенсорів є значною на сьогоднішній день. До таких класів сенсорів температури належать термосенсорні інтегральні схеми з відліком відносної температури, рідкокристалічні сенсори температури на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах, волоконно-оптичних елементів та їх комбінації, вимірювальні пристрої на основі термозалежних плівкових резисторів, які є предметом досліджень даної дисертаційної роботи. На основі аналізу тенденцій розвитку мікроелектронних сенсорів, зокрема термосенсорних інтегральних схем, рідкокристалічних та волоконно-оптичних сенсорів температури, в першому розділі визначені мета та задачі досліджень.

В основу проведених у другому розділі дисертаційної роботи досліджень покладено оригінальну схему вузла первинного перетворювача з відліком відносної температури, принцип роботи якого полягає у формуванні струму з лінійною залежністю від абсолютної температури та подальшому його перетворенні в диференційний сигнал, величина якого визначається шкалою відносної температури.

Основними складовими запропонованих у дисертаційній роботі перетворювачів термосенсорних ІС є: функціональний стабілізатор – формувач струму ІT на елементах Т1-Т4, RE, RZ, струмове дзеркало – подільник на Т5-Т7 та елементи формування відносної температуропровідної шкали D, RT, RL, R0. В залежності від вимог до параметрів вихідного сигналу перетворювач може мати модифікації, зокрема схеми, наведені на рис. 1, а, б.

Прийнявши, що активна площа транзисторів Т1-Т3 та електрофізичні параметри їх структур взаємототожні, тобто тотожні їх струми насичення Іs1=Іs2=Іs3=Іs, а активна площа емітера Т4 в р разів більша, ніж у Т1-Т3, тобто Іs4=рІs, значення вихідного струму ІT функціонального стабілізатора визначається як:

 

 ,

 

де  - температурний потенціал; m – коефіцієнт неідеальності емітерних p-n переходів транзисторів; k – стала Больцмана; q – заряд електрона; T – абсолютна температура; p – коефіцієнт масштабування; RE – резистор в емітерному колі стабілізатора.

Таким чином, струм ІT в першому наближенні не залежить від напруги живлення та струму через резистор початкового зміщення RZ, тобто має місце стабілізація режиму живлення. Крім того, величина ІТ характеризується лінійною залежністю від абсолютної температури Т, а крутизна цієї залежності становить

 

 .

 

Струмове “дзеркало” забезпечує перерозподіл струмів І (D) = І (RТ) = ІТ/2, що визначає вихідні напруги перетворювача:

 

 ,

 

де Is – струм насичення діода.

Температурні коефіцієнти цих напруг (ТКН) відповідно становлять:

 

де EG0 – ширина забороненої зони кремнію, величина якої приведена до температури абсолютного нуля EG0 =1, 205B.

Аналіз показує, що температурний коефіцієнт напруги (ТКН) вихідної напруги UT+ є додатний і може задаватися співвідношенням між резисторами RT/RE, а ТКН напруги UT- – від'ємний і визначається різницею між шириною забороненої зони напівпровідника та падінням напруги на p-n-переході. Таким чином, для формування шкали відносних температур достатньо взаємно відняти ці напруги у певній пропорції.

В ході досліджень проведено детальний аналіз нестабільності вихідних сигналів вузла первинного перетворення, визначальними факторами якої є зміна струмів базових кіл та модуляція колекторною напругою вхідної характеристики транзисторів. Виявлено новий ефект – при збільшенні напруги живлення вихідний струм стабілізатора Iout може не лише зростати, але й, переходячи точку з нульовим приростом, спадати, що свідчить про виникнення