Министерство образования и науки российской федерации федеральное агентство по образованию технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
Скачать 489.88 Kb.
|
Контрольные вопросы 1. Конструктивно-технологические основы реализации резистивных сенсоров температуры на основе пленочных структур. 2. Физическая природа зависимости сопротивления полупроводниковых материалов от температуры и возможности её использования для создания температурных сенсоров. 3. Основные варианты конструктивно-технологической реализации резистивных сенсоров на основе полупроводниковых материалов. 4. Особенности использования пассивных резистивных сенсоров температуры в схемах фиксации изменений сопротивлений. 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЕНСОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ Характеристики полупроводникового р – n-перехода в диодах и биполярных транзисторах сильно зависят от температуры. Эти зависимости можно использовать для измерения температуры, главная трудность при этом – линеаризация характеристики сенсора [3]. Вольт-амперная характеристика р – n-перехода описывается выражением I = I0 eхр  ,где I0 – ток насыщения перехода, значение которого также зависит от температуры. Если задавать ток I через переход, то напряжение на нем можно представить в виде V =  (ln k – ln I),здесь Еq – ширина запрещенной зоны кремния при Т=0; q – заряд электрона; k – константа. Отсюда видно, что если фиксировать ток I, напряжение на переходе будет линейно зависеть от температуры, причем наклон этой зависимости определяется выражением b =  ( ln k – ln I).Соответствующие графики представлены на рис.7.  Рис.7. Зависимость напряжения от температуры прямосмещенного кремниевого перехода при постоянном токе Таким образом, любой прямосмещенный диод, запитанный от источника постоянного тока, можно использовать как чувствительный элемент датчика температуры, измеряя снимаемое с него напряжение. Подобный датчик можно получить, используя биполярный транзистор (рис.8).  а б Рис. 8. Простейшие сенсоры температуры на полупроводниковом диоде (а) и биполярном транзисторе (б) Но наибольшее распространение нашли датчики температуры на основе использования напряжения база – эмиттер биполярного транзистора [3], которое определяется выражением VБЕ =  ,где IC – ток коллектора, IS – тепловой ток коллекторного перехода. Возьмем N+1 совершенно одинаковых транзисторов и все (кроме одного) соединим параллельно, согласно рис. 9 (обычно такие транзисторы выполняются на одном чипе). Зададим в N транзисторах суммарно тот же ток коллектора IC, что и в одиночный транзистор, тогда разность напряжения база – эмиттер одиночного и группы транзисторов составит:  VБЕ = VБЕ – VN =  .Таким образом, разность напряжений VБЕ пропорциональна абсолютной температуре.  Рис.9. К сравнению напряжений VБЕ одиночного и VN группы транзисторов На этом принципе можно построить множество практических схем измерения температуры. Как пример, рассмотрим так называемую ячейку Брокау (рис.10).  а б Рис. 10. Ячейка Брокау (а) и цепочка резисторов в эмиттерах транзисторов (б) Транзистор VT2 составлен из N параллельно включенных транзисторов, идентичных транзистору VT1. Разность потенциалов эмиттеров транзисторов выделяется на резисторе R2, через него же течет ток эмиттера VT2. Очевидно, что IE2 =  .Коллекторные токи I1 и I2 поддерживаются одинаковыми за счет отрицательной обратной связи через операционный усилитель. Рассмотрим цепочку в эмиттерах транзисторов (рис.10, б). Через резистор R1 протекает ток обоих транзисторов, поэтому 2IR1 = VT, далее IR2 = ΔVБЕ . Приравняв токи, получим  ,откуда, используя полученное ранее выражение для ΔVБЕ , имеем  .Существует множество разновидностей подобных схем, рассмотренных, например, в [3]. Контрольные вопросы 1. Физические основы и возможности реализации сенсоров температуры на базе p–n-перехода (диода) и биполярного транзистора. 2. Принцип действия датчиков температуры на основе измерения напряжения между базой и эмиттером в биполярных транзисторах. 3. Датчик температуры на основе ячейки Брокау. 4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ Пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под действием механического напряжения или деформации в кристалле возникает электрическая поляризация, величина и знак которой зависят от приложенного напряжения. Обратный пьезоэлектрический эффект – это механическая деформация кристалла, вызванная приложенными электрическими силами, причем величина и тип деформации зависят от величины и направления приложенного поля. При этом электрическое поле может характеризоваться вектором электрической поляризации Р, электрической индукции D или напряженностью электрического поля Е, а действующее на кристалл механическое усилие – тензором механического напряжения Тij или тензором деформации δij. В общем случае связь между ними описывается уравнением Pi = dijk Tjk , где dijk – тензор пьезоэлектрических модулей, характеризующий анизотропные пьезоэлектрические свойства кристалла. Очевидно, что свойства пластин пьезоэлектрического материала, вырезанных из кристалла с различной ориентацией относительно его кристаллографических осей (так называемых “срезов”), могут сильно отличаться. На рис. 11 представлены некоторые из практически используемых срезов кварца, предназначенных для разного целевого использования [4].  Рис. 11. Кристаллографические срезы в кристалле кварца и их технические обозначения Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880 г. в кварце. Позднее было установлено, что он характерен только для кристаллов с определенными типами симметрии (в кристаллах 11-ти классов симметрии из 32-х известных он не наблюдается). В частности, самые популярные полупроводники (германий, кремний, алмаз) не обладают пьезоэффектом. В то же время он есть у арсенида галлия, окиси цинка и некоторых других полупроводниковых и полимерных материалов. Первым применением пьезоэлектрического эффекта считается использование его с целью возбуждения механических колебаний в воде и приема таких колебаний для гидролокации (Ланжевен, 1917 г.). Но наибольшее распространение в радио- и измерительной технике получило использование пьезоэффекта для стабилизации частоты электрических колебаний (кварцевые стабилизаторы частоты). Суть в том, что механические колебания кварцевой пластины могут иметь значительно более высокую стабильность (малый температурный коэффициент частоты колебаний) по сравнению со стабильностью колебаний частотозадающих устройств, выполненных на традиционных компонентах (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности или другие активные элементы). Эта стабильность кварцевых резонаторов может быть многократно повышена правильным выбором срезов кварца (традиционно это АТ- и ВТ-срезы). Поэтому в качестве частотозадающего элемента в автогенераторах радиоустройств или часах используют кварц – в простейшем случае это прямоугольная пластина, вырезанная из кристалла кварца с двумя нанесенными на противоположные грани электродами. Обычно используется режим резонанса механических и электрических колебаний, причем частота и стабильность их обеспечивается кварцем. Такие системы обладают также высокой добротностью (порядка 106). Исследования показали, что можно получить срезы кварца, в которых частота колебаний зависит от температуры, причем эта зависимость близка к линейной и, что самое главное, характеризуется высокой воспроизводимостью параметров. Такие кварцы естественно использовать в качестве сенсоров температуры, выходным параметром которых является частота электрических колебаний. Первый пьезоэлектрический кварцевый датчик температуры был реализован на основе кристалла с Y-срезом с чувствительностью 35 · 10-6 [Δf/f · ºC] в диапазоне температур – 80º  +230 ºС при точности калибровки 0,02 ºС. Возможна также реализация датчиков с большей чувствительностью (но худшей линейностью) на других срезах (например, LC) или использующих более сложные колебания пластин (изгибные или торсионные). Недостатком пьезоэлектрических датчиков является достаточно большая тепловая инерция.Контрольные вопросы 1. Пьезоэлектрический эффект, его физические основы и возможности использования. 2. Кристаллографические срезы кварца различной ориентации и возможности их использования, в частности для стабилизации частоты. 3. На чём основано использование кристаллов кварца для создания датчиков температуры? 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕНСОРОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В КОМБИНАЦИИ С ДРУГИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 5.1. Каталические сенсоры концентрации газов Как отмечалось во введении, в некоторых комбинированных сенсорных преобразователях в качестве промежуточного этапа преобразований используется сенсор температуры. Так, для измерения концентрации содержащихся в воздухе некоторых легкоокисляющихся веществ (пары бензина, спиртов, эфиров, водорода, метана и пр.) используются каталические сенсоры. Они содержат развитую поверхность, покрытую тонкой пленкой катализатора (платина, палладий), в присутствии которого происходит окисление (сгорание) вещества, концентрация паров которого измеряется. Сгорание сопровождается выделением тепла и нагревом поверхности. Таким образом, измеряя температуру, можно судить о концентрации измеряемой примеси в воздухе. На рис. 12 приведена структура интегрального каталического сенсора водорода [5]. Измерение температуры в нем осуществляется по изменению напряжения эмиттер – база в биполярном транзисторе (принцип таких измерений рассмотрен в разд. 3). Таким образом, в сенсоре реализуется цепочка преобразований N – Q – T – U, где N – концентрация примеси, Q – теплота, Т – температура, U – напряжение.  Рис. 12. Интегральный кремниевый сенсор водорода: 1 – коллектор; 2 – пиролитическая SiO2 (0,6 мкм); 3 – контакты к базе Al; 4 – контакты к эмиттеру; 5 – слой Al2O3 (0,1 мкм); 6 – Pd-катализатор (0,02 мкм) Сенсор выполнен на кремниевом чипе. Это позволяет использовать весь арсенал типовых технологических процессов микроэлектроники при его изготовлении. Использование анизотропного травления кремния позволяет выполнить всю активную структуру на тонкой диафрагме, что уменьшает ее массу и теплоемкость. В результате повышается чувствительность и быстродействие (сокращается время протекания инерционных тепловых процессов). 5.2. Тепловые расходомеры Для измерения расхода жидкости или газа, протекающих по трубе, необходимо знать среднюю скорость потока и его сечение. Традиционные методы измерения расхода, основанные на использовании подвижных элементов (поршни, турбины и т.д.), неэффективны при малых расходах и плохо поддаются миниатюризации. Если в некоторой точке потока установить нагревательный элемент, то распределение температуры в его окрестностях будет зависеть от скорости потока V (рис. 13).  а б Рис.13. Канал газового потока с нагревателем Р в нем (а) и распределение температуры в канале (б) При нулевой скорости потока распределение температуры симметрично с максимумом, совпадающим с положением источника тепла. При конечной скорости потока положение максимума сохраняется, а кривая распределения температуры «перекосится», так как набегающий «холодный» поток снизит температуру слева от нагревателя и повысит ее справа за счет нагрева. Таким образом, перепад температуры ΔТ между двумя точками, расположенными слева и справа относительно нагревателя, несет информацию о скорости потока. Конструкции тепловых расходомеров несколько различаются в зависимости от принятого способа измерения температуры (рис. 14). В структуре, представленной на рис. 14, а, измерение температуры производится с помощью терморезисторов (1), расположенных симметрично относительно нагревателя (2) и включенных в мостовую схему измерений. И нагреватель (тоже резистивного типа), и терморезисторы выполнены на тонкой мембране, полученной анизотропным травлением кремния, ориентированного в плоскости (100). Использование мембраны позволяет существенно снизить теплоемкость структуры и повысить скорость ее реагирования на изменение расхода. Кроме того, тонкая мембрана уменьшает нежелательную тепловую связь через подложку между нагревателем и терморезисторами. Тем не менее, для дальнейшего уменьшения этой связи источник тепла формируется на консоли (рис. 14, б), что позволяет повысить чувствительность расходомера.  а б Рис. 14. Кремниевые тепловые сенсоры расходомеров: а – на диафрагме; б – консольного типа; 1 – терморезистор; 2 – нагреватель; 3 – пленочные проводники; 4 – диафрагма; 5 – консоль Другой вариант конструкции расходомера получается, если для измерения температуры использовать термопару или термобатарею. Это возможно и в структурах, представленных на рис. 14, с заменой терморезисторов на термопары. Ранее (см. рис. 4) приводился вариант структуры, в котором проводники термопары располагались вдоль направления вектора скорости измеряемого потока; холодный и горячий спай теплопары реагирует на перепад температуры потока в точках, расположенных слева и справа от источника тепла (на рисунке не показан). Для нормальной работы тепловых расходомеров обычно достаточно маломощных источников тепла, обеспечивающих максимальный перегрев жидкости (газа) в области нагревателя в несколько десятков градусов относительно исходной температуры потока. Тепловые расходомеры обеспечивают широкий диапазон измерений, высокую чувствительность, не содержат подвижных элементов и очень малогабаритны. |
Похожие:
 | Министерство образования и науки российской федерации технологический... Учебная программа разработана на основании примерной программы для общеобразовательный учреждений: Информатика. 2 – 11 классы / Составитель... |  | Министерство образования и науки российской федерации технологический... «Подвижные игры и эстафеты». Урок направлен на развитие координационных и кондиционных способностей детей младшего школьного возраста.... |
| Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное... Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию | | Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Федеральное... ... |
| Учреждение высшего профессионального образования «южный федеральный... Федерального компонента государственного стандарта основного общего образования (Москва, 2004 г.) | | Формирование и прием радиосигналов с использованием квадратурных схем преобразования частоты Работа выполнена на кафедре Радиоэлектронных средств защиты и сервиса (рэс зиС) Технологического института Федерального государственного... |
| Российской Федерации Федеральное агентство по образованию южный федеральный Университет В сборнике представлены доклады участников научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании:... | | Министерство образования и науки российской федерации федеральное... Пермский филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования |
| Интуициология: начала начал науки о творчестве человека1 Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» | | Основная литература. Раздел «Общие проблемы истории и философии науки» Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» |
| Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Обеспеченность электронными образовательными ресурсами Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо южный Федеральный Университет | | Современный русский язык Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» |
| Рабочая Программа учебной дисциплины (модуля) Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо южный Федеральный Университет | | Триз – технология творчества Федеральное агентство по образованию российской федерации фгоу впо «южный федеральный университет педагогический иститут» |
