Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

Завершальним етапом дослідження температурних характеристик вузла первинного перетворювача є визначення нелінійності напруг UT+, UT-.

 

 .

 

Перша з них при TKО (RT) = TKО (RE) теоретично є абсолютно лінійною функцією абсолютної температури, друга визначається нелінійністю вихідного струму функціонального стабілізатора – формувача Iout (T) та струму насичення p-n-переходу.

Показано, що зміна температурного коефіцієнту напруги UT- становить

 

де A та B – лінійна та квадратична складові TKО; q – показник степеневої функції Тq, яка входить в аналітичний вираз струму насичення p-n-переходу.

Отже, на відміну від вихідного струму функціонального стабілізатора Iout, вихідна напруга UT- характеризується суттєво меншою нелінійністю температурної залежності. Hаприклад, для типового значення А=2•10-3 град-1 в температурному діапазоні 1000С (-250С... +750С) нелінійність вихідного струму Iout становить (2, 9... 3, 7) %, а напруги – (0, 4... 0, 5) %.

В третьому розділі дисертації розроблені принципи побудови термосенсорних ІС з експоненціальною, квазілінійною та лінійною характеристиками перетворення, визначені їх переваги та недоліки.

Визначальною особливістю ІС з експоненціальною характеристикою перетворення є висока крутизна характеристик перетворення, мінімальні структурні затрати та можливість нормального функціонування при гранично низьковольтних джерелах живлення (від 2В). Показано, що в термосенсорних ІС з експоненціальною характеристикою перетворення при зміні температури на DT=10К приріст вихідного струму приблизно становить Y0=2, 3 та Yt=4, 9 при зміщенні транзистора термостабільною UT0 і температурнозалежною UT напругами відповідно. Це відповідає крутизні перетворення 9% / К та 17% / К для даних режимів зміщення. У порівнянні з традиційними перетворювачами з лінійною характеристикою відносно абсолютної температури, для яких крутизна перетворення при T=300К становить 0, 3%, чутливість зростає приблизно в 30 та 60 разів відповідно.

Принцип побудови термосенсорних ІС з квазілінійним відліком відносних температур базується на диференційному каскаді. Приклад схемної реалізації термосенсорної ІС з квазілінійною температурною залежністю струму в колі живлення схеми наведено на рис. 4. Елементи T1-T7, R1, R2, RT, D1, D2 утворюють вузол первинного перетворювача; T10, T11 – диференційний каскад зі зміщенням на джерелі струму T12, R3; елементи T13-T21, R4 – операційний підсилювач; резистори R01, R02 – забезпечують відповідне масштабування вихідного струму.

Живлення ІС до значення температури t=340С має незначну температурну залежність (у масштабі даного графіка початкова залежність Iout від абсолютної температури не спостерігається), а в діапазоні (34…44) 0С має місце квазілінійна функція перетворення з більш ніж двократним зростанням вихідного струму. Таким чином, характеризуючись високою крутизною перетворення і задовільною лінійністю, термосенсорні ІС з квазілінійною характеристикою дають змогу проводити вимірювання температури з високою чутливістю в межах декількох градусів по відношенню до її опорної величини.

Проведено систематизацію та аналіз ефективності структурних схем вторинних перетворювачів термосенсорних ІС з лінійним відліком відносних температур, які дозволяють сформувати сигнали у вигляді падіння напруги UT+, UT- на виводах живлення термосенсорної ІС. Це дозволяє зменшити кількість виводів ІС до трьох і, таким чином, використати при корпусуванні стандартні корпуси малопотужних транзисторів. Варіанти реалізації таких трививідних термосенсорних ІС з відліком відносних температур у вигляді відповідно зміщених джерел напруги UT+, UT- наведено на рис. 6. Розширення функціональних можливостей таких сенсорів можна забезпечити шляхом заміни одного з температурнозалежних джерел на джерело U0, температурний коефіцієнт напруги якого в першому наближенні дорівнює нулю (ІС другої та третьої груп відповідно).

В четвертому розділі наведені основні результати розробки тонкоплівкових сенсорних пристроїв для термометрії. На основі сучасної теорії термодинамічних і кінетичних властивостей вияснена природа кінетичних властивостей (питомого опору, коефіцієнта Зеебека, коефіцієнта Нернста-Еттінгсгаузена) кристалів, які використовуються при виготовленні сенсорів температури, що дозволяє передбачити параметри сенсорів і створювати сенсори з наперед заданими параметрами. Поряд з існуючими теоретичними опрацюваннями підтверджена залежність опору резистора від його природи і розмірів:  , а коефіцієнт температурної чутливості прямо пропорційний ширині забороненої зони кристала  , тобто для створення резисторів з великим значенням ТКО необхідно створювати та застосовувати матеріали з великою шириною забороненої зони.

Напруга на виході підсилювача постійного струму залежить від температури:  , де U – напруга джерела живлення; R – значення опору резисторів всіх плеч моста при t = 00С; DRt – зміна опору термозалежних резисторів при зміні температури на 10С; t – температура, k – коефіцієнт підсилення підсилювача постійного струму.

Виявлені залежності зміни опору (рис. 8, б) і відносної зміни опору резистора з суміщеного резистивного плівкового шару від температури для різних значень температурних коефіцієнтів. Похибка вимірювання температури з допомогою даного пристрою не перевищує 0, 1%.

На основі плівкових резистивних елементів розроблений вимірювач температури в діапазоні -50... +1800С (рис. 9, а), в якому використані залежності вихідної напруги мостової схеми від температури:  , де Uвих – вихідна напруга керованого стабілізатора напруги; RL1, RL4 – значення

На основі розсуміщених тонкоплівкових резисторів також розроблено та досліджено новий вимірювач температури (рис. 10, а), в якому досліджені залежності вихідної напруги компенсаційного моста від температури в діапазоні t = 0... 150 0C та, в температурному діапазоні вільних кінців термопари (-10... +60) 0С).

Досліджено термоелектричний плівковий сенсор температури і