ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНС-СТРУКТУР
В.И. Суханов, Н Н. Суханова, В.В. Хасиков, М.М. Рыбаков
Описана конструкция и представлены основные метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления, изготовленных из гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире" (КНС-структур).
В настоящее время для измерения температуры в промышленности наиболее широко применяют термопреобразователи сопротивления (ТС) на основе медной и платиновой проволок
[1]. Для контроля температуры в интервале ^200...+ 150 °С обычно используют медные ТС. Для достижения более высокой точности измерения и для контроля температуры выше 150 °С применяют платиновые ТС. Дальнейшее совершенствование характеристик и удешевление производства ТС в последние годы связывалось с созданием термопреобразователей на основе напыляемых в вакууме пленок платины, меди или никеля. Однако до сих пор такие ТС не получили широкого распространения из-за сложности обеспечения воспроизводимости и долговременной стабильности характеристик пленочных терморезисторов.
В статье описана конструкция и представлены метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления, созданных на основе КНС-структур и предназначенных для использования в составе датчиков температуры с унифицированным токовым выходным сигналом
[2], разработка которых завершена в НИИТеп-лоприборе.
Применение КНС-структур в качестве материала для создания ТС впервые было предложено в изобретении по авторскому свидетельству [3].
К достоинствам этих ТС следует отнести:
• высокую долговременную стабильность сопротивления терморезисторов, изготовленных из монокристаллического кремния;
• хорошую электрическую изоляцию между терморезистором и корпусом ТС вплоть до температуры 1000 °С;
• хорошо отработанную при производстве тен-зопреобразователей технологию изготовления чувствительных элементов (ЧЭ) и крепления их к металлу, что позволяет достаточно легко организовать производство ТС, отличающихся широким диапазоном измерения
(^50...+400 °С), малыми размерами и низкой
постоянной тепловой инерции.
Конструкция и габаритные размеры ТС, разработанных в НИИТеплоприборе, показаны на рис. 1. Термочувствительные элементы ТС представляют собой прямоугольную сапфировую пластину 1с размерами 8x3x0,2 мм, на поверхности которой расположен кремниевый терморезистор, изготовленный методами фотолитографии из слоя монокристаллического кремния толщиной 1,3 мкм и ориентированный вдоль кристаллографического направления минимальной тензочувствительности [100]. Противоположной поверхностью пластина напаяна припоем ПСР-72 на металлическое основание 2. На этом же основании закреплены жесткие выводы 3. Контактные площадки терморезистора подсоединены к выводам алюминиевыми микропроводниками 4. Гильза 5 обеспечивает защиту термочувствительного элемента от повреждений.
Исследование температурной зависимости сопротивления гетероэпитаксиальных кремниевых терморезисторов с различной концентрацией носителей тока в широком диапазоне изменения температур ^200...+500 °С показали, что для целей термометрии наиболее перспективны терморезисторы с концентрацией дырок р = 6-101® см [4]. Такие терморезисторы в диапазоне от — 50 до 400 °С обладают монотонной зависимостью со-
н
Рис. 1. Конструкция термопреобразователя сопротивления:
1 — термочувствительный элемент; 2 — основание; 3 — выводы; 4— микропроводники; 5 — гильза
28
Sensors & Systems»№11.2001
Рис. 2. Отклонение градуировочной характеристики от прямой линии для различных диапазонов измерения
противления от температуры, которую можно аппроксимировать либо функцией
R(t) = Лоехр(аГ),
либо функцией
R(t) = Ло(1 + At+ Bî1),
(1)
(2)
где / — температура в °С; Я) — сопротивление терморезистора при 1 = О °С; а — 1,3 ' Ю-3 А — ^ 1,2 • Ю-3 °СГ'; В ^ 1,3 • Ю-6
Наиболее простой метод линеризации градуировочной характеристики терморезистора с такой температурной зависимостью сопротивления заключается в подключении параллельно к нему резистора с постоянным сопротивлением Rцl [5]. Для ТС с рабочим диапазоном /т1п.../тах значение Rц¡ можно определить с помощью выражения [5]:
Я„ —
2 *"(',„) 2 *"(',„)
R(tm),
(3)
где R'(tm) и R"(1m) — соответственно значения первой и второй производной функции R(t) в
Отсюда получаем следующие формулы для расчета сопротивления термонезависимого шунта:
ЛШ(Г) = Л0ехр(а/,„), (5)
если зависимость R(t) описывать функцией (1) и
1), (6)
Rm(t) = R0(A2/B+3Arm+3Br;t
если зависимость R(t) описывать функцией (2).
Результаты расчета Rul для ТС с различными диапазонами измерения представлены в табл. 1. Там же приведены значения сопротивлений Rul полученные экспериментально. Все расчеты и экспериментальные значения Лш даны для случая, когда /?(, = 6 кОм. Причем экспериментальные значения Rul подбирались таким образом, чтобы погрешность нелинейности справа и слева от точки 1т имели примерно одинаковые значения по абсолютной величине.
Из таблицы видно, что экспериментальные значения Rul близки к рассчитанным с помощью выражения (2). Отсюда следует, что аппроксимация полиномом второй степени градуировочной характеристики гетероэпитаксиальных кремниевых терморезисторов с концентрацией носителей тока р — 6 • 1019 см-3 является более точной, чем экспоненциальной функцией.
Отклонение градуировочной характеристики ТС от прямой линии, соединяющей ее крайние точки, представлено на рис. 2. Из рисунка видно, что погрешность нелинейности ТС уменьшается при уменьшении диапазона измерения, причем для максимального диапазона 0...400 °С значения погрешности не выходят за пределы +0,5%.
На рис. 3 и в табл. 2 представлены результаты исследования стабильности сопротивления Я) и температурного коэффициента сопротивления а
Таблица 1
точке tm = 0,5(/п
^miii)-
Диапазон измерения, "С Rm, кОм
С Расчет для функции ( 1 ) Расчет для функции (2) Экспериментальное значение
0...400 200 7,74 6,90 7,16
0...300 150 7,32 5,40 5,36
0...200 100 6,84 3,96 3,90
-50.. .+200 75 6,61 3,30 3,24
—50... +150 50 6,42 2,70 2,64
НИИТеплоприбор
Датчики и Системы • № 11.2001.
29
Рис. 3. Изменение начального сопротивления кремниевого терморезистора после термоударов от -196 до +200 °С
гетероэпитаксиальных терморезисторов с концентрацией дырок р — 6 • 1019 см-3 после воздействия термических ударов —196...+200 °С. Термоудары осуществлялись по следующей методике: термочувствительные элементы помещались в сосуд Дьюара с жидким азотом, выдерживались там 15 мин., а затем за время менее 10 с переносились в термокамеру с температурой 200 °С. Величина а рассчитывалась по результатам измерения сопротивления терморезисторов в реперных точках 0 и 100 °С.
Таблица 2
Число циклов термического воздействия
Температурный коэффициент сопротивления, KF3°C-1
0 1,3874 1,3939 1,3901 1,3777 1,3812
50 1,3871 1,3935 1,3896 1,3771 1,3805
100 1,3872 1,3932 1,3897 1,3774 1,3807
300 1,3869 1,3933 1,3894 1,3770 1,3804
500 1,3869 1,3930 1,3892 1,3767 1,3805
Диапазон измерения, "С Сопротивление при t= 0 "С, Ом Ток питания, мА Чувствительность, мВ/ "С Погрешность нелинейности, %
0...400 3260±40 2,4±0,2 <0,5
0...300 2830±40 1,2+0,1
-50.. .+200 0...200 2370±40 2370±40 1 0,92+0,1 0,85+0,1 <0,25
Из рис. 3 видно, что изменение сопротивления Rq (<0,03%) происходит после первых 50 термоударов. Затем сопротивления терморезисторов стабилизируются. Температурный коэффициент сопротивления после термоударов сохраняется в пределах точности измерений.
В табл. 3 представлены основные технические характеристики ТС, предназначенных для использования в датчиках температуры с унифицированным выходным сигналом. В ТС применены кремниевые терморезисторы, имеющие при температуре 0 °С сопротивление Rq = (6000 + 10) Ом. Значения сопротивлений ТС после подключения линеаризующего резистора представлены в таблице.
Таким образом, выполненные исследования показывают, что КНС-структуры являются перспективным материалом для создания термопреобразователей сопротивления с расширенным диапазоном измерения. Датчики, созданные на базе таких термопреобразователей, могут успешно использоваться взамен платиновых в системах управления и измерения температуры выше 150 °С.
ЛИТЕРАТУРА
1. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т. 1 (Кн. 1) / Под общ. ред. Ю.Н. Коптева. М.:ИПРЖР, 1998.
2. Ялышев А.У., Белоглазое A.B., Суханов В.И., Шней-дер М.И. Кремниевые датчики температуры с информативным сигналом постоянного тока //В этом номере журнала.
3. А. с. 602796 РФ Термометр сопротивления // Изобретения. 1978. № 14.
4. Суханова H.H., Суханов В.И., Хасиков В.В., Юровский А.Я. Полупроводниковые термопреобразователи с расширенным диапазоном рабочих температур // Датчики и системы 1999. N° 7—8.
5. Аш.Ж. и др. Датчики измерительных систем. М.: Мир, 1992.
Владимир Иванович Суханов — канд. техн. наук, зав. лабораторией ФГУП "НИИТеплоприбор";
Таблица 3 « (095) 217-23-21
Наталья Николаевна Суханова — канд. техн. наук, вед. научи. сотрудник ФГУП "Н И ИТеплоприбор":
в (095) 217-25-07
Виктор Владимирович Хасиков — канд. техн. наук, зам. директора по научной работе ФГУП " Н И ИТеплоприбор":
в (095) 215-72-33
Михаил Михайлович Рыбаков — канд. техн. наук, ст. научи. сотрудник ФГУП "Н И ИТеплоприбор".
в (095) 217-24-42 □
30
Sensors & Systems »№11.2001
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.