Полупроводниковый термопреобразователь сопротивления

 

Использование: измерительная техника в датчиках температуры с электрическими выходными сигналами постоянного тока или напряжения. Сущность изобретения: полупроводниковый термопреобразователь сопротивления содержит монокристаллическую сапфировую подложку, на поверхности которой сформирован терморезистор из монокристаллического слоя кремния. Сапфировая подложка другой поверхностью соединена с основанием из титанового сплава. Термонезависимый резистор подключен параллельно к терморезистору и расположен на общей с ним поверхности сапфировой подложки. При выбранной концентрации носителей тока в монокристаллическом кремниевом терморезисторе и величине сопротивления термонезависимого резистора обеспечивается лианеризация с высокой точностью рабочей характеристики термопреобразователя в широком интервале температур. Техническим результатом изобретения является создание высокоточного полупроводникового термопреобразователя сопротивления для работы в широком интервале изменения температуры от -200 до +500°С, обладающего практически линейной градуировочной характеристикой. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к полупроводниковым термопреобразователям сопротивления.

Известен полупроводниковый термопреобразователь сопротивления, выполненный из гетероэпитаксиальной структуры "кремний на сапфире" с удельным сопротивлением кремния в пределах от 0,0007 до 0,007 Ом·см [1]. Термопреобразователь, изготовленный из такой структуры, имеет монотонно возрастающую зависимость сопротивления от температуры в интервале от -200 до +500^oC, отклонение которой от линейной зависимости в указанном интервале достигает (8.. . 12)%, а в интервале от -100 до +400^oC - (3...4)% от диапазона измерения. Нелинейность температурной зависимости сопротивления известного термопреобразователя приводит к значительной погрешности измерения температуры.

Прототипом предлагаемого решения является полупроводниковый термопреобразователь сопротивления, содержащий кремниевый терморезистор, выполненный из нитевидного или объемного кристалла кремния, и подключенный параллельно к нему термонезависимый резистор, сопротивление которого рассчитано таким образом, что при питании термопреобразователя от источника тока обеспечивается линеаризация статической градуировочной характеристики прибора [2].

Недостатком термопреобразователя, принятого за прототип, является сравнительно узкий диапазон измерения от -40 до +200^oC, в котором может быть осуществлена линеаризация рабочей характеристики с достаточной точностью.

Кроме того, прототип имеет значительный разброс значений номинальных сопротивлений терморезистора (5-10)%, обусловленный разбросом степени легирования и размеров кристалла кремния.

Еще одним недостатком прототипа является большое значение показателя термической инерции термопреобразователя из-за использования объемного кристалла кремния. Кроме того, процесс сборки такого термопреобразователя сопротивления, как правило, осуществляется с применением большой доли ручного труда и не обеспечивает крупносерийного и массового производства таких изделий.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи создания высокоточного полупроводникового термопреобразователя сопротивления для работы в широком интервале изменения температуры от -200 до +500^oC и обладающего практически линейной градуировочной характеристикой.

Поставленная цель достигается тем, что терморезистор выполнен из монокристаллического слоя кремния с концентрацией носителей тока (5...8) · 10¹⁹ см^-3, осажденного методом гетероэпитаксии на монокристаллическую сапфировую подложку, а значение сопротивления термонезависимого резистора определяется по формуле где R(t_min) и R(t_max) - значения сопротивления терморезистора, соответствующие нижней и верхней границам интервала измерения.

Кроме того, монокристаллическая подложка с терморезистором на одной поверхности соединена другой своей поверхностью с основанием из титанового сплава с помощью высокотемпературного серебросодержащего припоя.

Кроме того, термонезависимый резистор выполнен из пленки нихрома с близким нулю температурным коэффициентом сопротивления и расположен на общей с терморезистором поверхности сапфировой подложки.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с известным позволяет сделать вывод, что предложенный термопреобразователь обладает следующими преимуществами.

Благодаря использованию гетероэпитаксиального кремниевого терморезистора с концентрацией носителей тока (5... 8) · 10¹⁹ см^-3 и подключенного параллельно ему термонезависимого резистора, сопротивление которого определяется с помощью предложенной математической формулы, обеспечивается линеаризация градуировочной характеристики полупроводникового термопреобразователя в широком (несколько сотен градусов Цельсия) диапазоне рабочих температур.

Благодаря соединению с помощью металлического серебросодержащего припоя сапфировой подложки с основанием из титанового сплава существенно улучшается теплопередача между терморезистором и корпусом термопреобразователя, что уменьшает тепловую инерцию устройства и позволяет запитывать термопреобразователь большим током, не вызывая его саморазогрев.

Благодаря тому, что термонезависимый резистор выполнен в виде пленочного резистора, расположенного на общей с терморезистором поверхности сапфировой подложки, значительно упрощается конструкция и повышается надежность устройства.

При этом, благодаря применению микроэлектронной тонкопленочной технологии, обеспечивается возможность автоматизации технологического процесса изготовления термопреобразователя и его крупносерийное и массовое производство.

Сущность изобретения заключается в выборе такой степени легирования кремниевого терморезистора, при которой зависимость его сопротивления от температуры в интервале от -100 до +500^oC с высокой точностью описывается экспоненциальной функцией, при этом значение сопротивления термонезависимого резистора выбирается (рассчитывается) по предложенному критерию достижения наименьшей погрешности нелинейности градуировочной характеристики термопреобразователя. Для заданного интервала температур отклонение градуировочной характеристики от линейной зависимости не превышает ±0,5%.

Заявителю не известны технические решения, обладающие в совокупности указанными отличительными существенными признаками, обеспечивающими достижение полученного результата.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 показаны зависимости удельного сопротивления гетероэпитаксиальных слоев монокристаллического кремния, легированных бором с различной концентрацией дырок. Концентрация дырок, см^-3: 1 - 2,0 · 10¹⁸; 2 - 2,3 · 10¹⁸; 3 - 4,5 · 10¹⁸; 4 - 9,0 · 10¹⁸; 5 - 1,4 · 10¹⁹; 6 - 2,3 · 10¹⁹; 7 - 4,3 · 10¹⁹; 8 - 5,4 · 10¹⁹; 9 - 8 · 10¹⁹; 10 - 1,3 · 10²⁰; 11 - 2,2 · 10²⁰.

На фиг. 2 показано отклонение градуировочной характеристики полупроводникового термопреобразователя от линейного закона в различных интервалах температур.

На фиг. 3 показан пример конструкции предлагаемого полупроводникового термопреобразователя сопротивления в разрезе.

На фиг. 4 изображен вид А на фиг. 3.

Принцип действия полупроводникового термопреобразователя сопротивления основан на использовании зависимости удельного сопротивления кремния от температуры. На фиг. 1 показаны полученные экспериментально в интервале от -200 до +500^oC зависимости удельного сопротивления гетероэпитаксиальных слоев кремния p-типа проводимости с различной концентрацией дырок. При этом удельное сопротивление кремния отложено по оси ординат в логарифмическом масштабе. Логарифмическое представление позволяет определить интервалы температуры, в которых температурный коэффициент удельного сопротивления кремния (и, соответственно, температурный коэффициент сопротивления кремниевого резистора сохраняет постоянное значение. Действительно, если в некотором интервале температур выполняется условие то в этом интервале температур зависимость величины от температуры описывается выражением ρ(t) = ρ(t_o)exp[α_ρ(t-t_o)], (2) а lnρ пропорционален температуре.

На фиг. 1 участки зависимостей ρ(t), где они с высокой степенью точности аппроксимируются прямыми линиями, выделены пунктиром. Видно, что температурная зависимость удельного сопротивления слоев кремния с концентрацией дырок от 5 · 10¹⁹ до 8 · 10¹⁹ см^-3 описываются выражением (2) в интервале температур от - 100 до +500^oC. Для слоев кремния с концентрацией носителей тока меньше 5 · 10¹⁹ см^-3 и большие 8 · 10¹⁹ см^-3 зависимость ρ(t) имеет вид экспоненциальной функции в более узких интервалах изменения температуры.

Таким образом, температурная зависимость сопротивления терморезистора, изготовленного из гетероэпитаксиальных слоев кремния с концентрацией носителей тока (5...8) · 10¹⁹ см^-3 в интервале от -100 до +500^oC, с высокой точностью описывается выражением R(t) = R(t_o)exp[α(t-t_o)], (3) где - температурный коэффициент сопротивления терморезистора; t₀ - фиксированная температура из интервала (-100...+500)^oC;
R(t₀) - сопротивление терморезистора при температуре t₀.

При этом значения температурного коэффициента сопротивления находятся в пределах (0,0012...0,0014)^oC^-1.

Зависимость сопротивления термопреобразователя, электрическая схема которого включает в себя такой терморезистор и подключенный параллельно ему термонезависимый резистор сопротивления R_ш, определяется выражением

Если при температуре t₀ значения сопротивлений терморезистора и термонезависимого резистора одинаковы, т.е. R_ш = R(t₀), то температурная зависимость сопротивления термопреобразователя описывается выражением

Анализ функции показывает, что в окрестности точки t₀ она наиболее близка к линейной зависимости. Отклонение этой функции от прямой линии, выраженное в процентах от диапазона изменения сопротивления, для трех интервалов температур показано на фиг. 2. Видно, что в диапазоне изменения температур 200, 400 и 600^oC погрешность нелинейности не превысит соответственно 0,06, 0,22 и 0,50% и симметрично относительно точки t₀.

Таким образом, если значение сопротивления термонезависимого резистора равно сопротивлению терморезистора в середине диапазона измерений, то нелинейность градуировочной характеристики термопреобразователя является минимальной.

Расчет сопротивления термонезависимого резистора осуществляется с помощью выражения

где температурный коэффициент сопротивления рассчитывается через значения сопротивления терморезистора, соответствующие нижней t_min и верхней t_max границам диапазона измерения по формуле

Подставляя (7) в выражение (6), окончательно получаем

где R(t_max) и R(t_min) - значения сопротивления кремниевого терморезистора, соответствующие верхней и нижней границам диапазона измерения.

На фиг. 3 показан пример конструкции полупроводникового термопреобразователя сопротивления в разрезе. Термопреобразователь содержит монокристаллическую сапфировую подложку 1, на свободной поверхности которой сформирован резистор 2 из монокристаллического слоя кремния с концентрацией носителей тока (5...8) · 10¹⁹ см^-3, осажденного методом гетероэпитаксии на сапфировую подложку. Монокристаллическая сапфировая подложка с терморезистором на одной поверхности соединена другой своей поверхностью с основанием 3 из титанового сплава с помощью высокотемпературного серебросодержащего припоя 4. Питание терморезистора электрическим током осуществляется по проводам 5, закрепленным в отверстии титанового основания при помощи высокотемпературного изолирующего материала 6, например клея КТ 2. Контактные площадки терморезистора 2 соединяются с проводами питания 5 при помощи токопроводов 7 (например, из алюминиевой проволоки Кр А 999), приваренных контактной сваркой. Сборочный узел на титановом основании 3 размещается в цилиндрической гильзе 8 (например, из алюминия) и герметизируется по торцу высокотемпературным клеем 9.

На фиг. 4 показан вид А (фиг. 3) полупроводникового термопреобразователя сопротивления с термонезависимым резистором 10, выполненным, например, из пленки нихрома и расположенным на общей с терморезистором 2 поверхности сапфировой подложки 1. Причем терморезистор 2 и термонезависимый резистор 10 параллельно подключены к проводам 5 через токопроводы 7.

Полупроводниковый термопреобразователь сопротивления работает следующим образом.

При измерении температуры среды, окружающей защитную гильзу 8, терморезистор 2 изменяет свое начальное сопротивление по экспоненциальной зависимости. Благодаря параллельно включенному термонезависимому сопротивлению 10 с расчетным номинальным значением сопротивления, рабочая характеристика термопреобразователя (зависимость его результирующего сопротивления от температуры окружающей среды) линеаризуется с высокой точностью в широком интервале температур.

Таким образом, как видно из описания и принципа действия полупроводникового термопреобразователя сопротивления, получено новое техническое решение, при котором обеспечивается высокая точность измерения температуры (0,06... 0,5%), высокая термочувствительность и долговременная стабильность характеристик, обусловленная монокристаллической структурой терморезистора и сапфировой подложки. Кроме того, благодаря поверхностному контакту титанового основания с алюминиевой защитной гильзой существенно снижается тепловая инерция термопреобразователя и повышается его быстродействие.

Полупроводниковый термопреобразователь сопротивления, выполненный согласно изобретению, целесообразно использовать в интервале рабочих температур от -100 до +500^oC в качестве чувствительного элемента для датчиков температуры со стандартными выходными сигналами постоянного тока (взамен чувствительных элементов из платиновой проволоки).

Источники информации
1. А.с. СССР N 602796; кл. G 01 K 7/16;
2. Г.Виглеб. Датчики. М.: "Мир" 1989, 196 с.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый термопреобразователь сопротивления, содержащий кремниевый терморезистор и подключенный параллельно ему термонезависимый резистор, отличающийся тем, что терморезистор изготовлен из монокристаллического слоя кремния с концентрацией носителей тока (5 - 8) · 10¹⁹ см^-3, осажденного методом гетероэпитаксии на монокристаллическую сапфировую подложку, а значение сопротивления термонезависимого резистора выбрано равным

где R(t_min) и R(t_max) значения сопротивления терморезистора, соответствующие нижней и верхней границам диапазона измерения.

2. Полупроводниковый термопреобразователь сопротивления по п.1, отличающийся тем, что монокристаллическая сапфировая подложка с терморезистором на одной поверхности соединена другой своей поверхностью с основанием из титанового сплава с помощью высокотемпературного серебросодержащего припоя.

3. Полупроводниковый термопреобразователь сопротивления по п.1 или 2, отличающийся тем, что термонезависимый резистор выполнен из пленки нихрома и расположен на общей с терморезистором поверхности сапфировой подложки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4