Методы построения полупроводниковых датчиков температуры

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Громов В.С, Шестимеров С.М., Увайсов С.У.

Московский государственный институт электроники и математики (ТУ),

Россия, г.Москва

Все известные полупроводниковые измерители температуры основаны на использовании в качестве преобразователей температуры в электрический сигнал либо полупроводниковых резисторов, либо полупроводниковых диодов и транзисторов.

Полупроводниковые резисторы являются самыми распространенными преобразователями температуры, выпускаемыми промышленностью. По материалу, используемому при создании полупроводниковых резисторов, они подразделяются на поликристаллические и монокристаллические резисторы. По значению температурного коэффициента сопротивления (ТКС) полупроводниковые резисторы можно разделить на два класса - приборы с отрицательным и приборы с положительным ТКС. Отрицательный ТКС имеют, как правило, полупроводниковые резисторы, изготовленные на основе медномарганцевых (типа ММТ) и кобальто-марганцевых (типа КМТ) оксидных полупроводников. Получение необходимых величин сопротивлений и ТКС достигается изменением процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного осаждения щёлочью азотнокислотных соединений марганца, кобальта, меди и прокаливания гидратов окислов. Для получения полупроводниковых резисторов исходный материал в виде порошка с органической связкой обрабатывается выдавливанием через мундштук или прессованием, по технологии, широко используемой в керамическом производстве. Такая технология позволяет обеспечить довольно низкие метрологические характеристики, так например, допустимое отклонение сопротивления от номинала у большинства типов резисторов составля-

1

ет ±20%, а разброс ТКС для партии одного номинала составляет ±10%. Кроме того, особенностью таких полупроводниковых резисторов является нелинейная температурная характеристика. Поэтому данные полупроводниковые резисторы редко используются в приборах для измерения температуры и их область применения, как правило, ограничивается системами терморегулирования и термозащиты.

Полупроводниковые резисторы на основе монокристаллических полупроводников (кремния, германия, карбида кремния, фосфида галлия) выполняются как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Кремниевые резисторы могут быть выполнены в виде слоя определенного типа проводимости в исходной кремниевой пластине противоположного типа проводимости, либо в виде узкого канала требуемого типа проводимости в пластине. Омические контакты создаются путём химического осаждения никеля. Полупроводниковые резисторы на основе кремния (отечественные, например, СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-3Б и зарубежные, например, типа KTY-81) имеют более высокий ТКС и значительно меньшие габариты по сравнению с поликристаллическими резисторами, а также с аналогичными резисторами, выполненными из меди и платины. Они обладают почти линейной зависимостью и могут быть изготовлены с высоким номинальным значением сопротивления (десятки кОм). Кремниевые резисторы могут быть выполнены с допускаемым отклонением от номинального сопротивления (1-2) %. Это достигается химическим, электрохимическим травлением или лазерным выжиганием резисторного слоя на кремниевой пластине. Использование кремниевых резисторов для измерения температуры в случае массового применения представляет особый интерес, так как они значительно дешевле других аналогичных преобразователей температуры и имеют большой температурный коэффициент (до 1 %/K). Недостатками кремниевых резисторов по сравнению с их металлическими аналогами (медными, платиновыми резисторами) являются

меньший диапазон измеряемых температур и некоторая нелинейность темпе-

2

ратурной характеристики. Однако, для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение. Схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTY-81 с положительным ТКС, приведена на рис. 1 [1]

Рис. 1 Типовая измерительная схема, содержащая в качестве термопреобразователя резистор, например, типа KTY-81.

Полупроводниковый резистор размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R4... R7. Измерительный мост питается напряжением 2,7 В, стабилизированным с помощью стабилитрона Vj. Ток питания моста не превышает 1 мА во избежание возникновения заметных погрешностей из-за перегрева, обусловленного этим током. Чувствительность измерительного моста составляет 4 мВ/°С и повышается усилителем V3 до 50 мВ/°С на выходе. Все элементы схемы измерения температуры (рис. 1) могут быть выполнены с помощью известных методов полупроводниковой технологии в объеме и на поверхности пластинки кремния. Например, таким образом, фирма Analog Devices серийно изготавливает датчики температуры в виде монолитных интегральных схем типа AD22100, упрощённый принцип работы которых приведен на рис. 2.

3

Рис. 2 Упрощённая блок-схема датчика температуры типа AD22100 с

аналоговым выходом.

Этот тип датчиков может работать в диапазоне температуры от минус 50°С до плюс 150°С. Точность измерения температуры не хуже, чем ±2%, и линейность не хуже, чем ±1% во всем измеряемом диапазоне. Температурный коэффициент выходного напряжения ивых равен 22,5 мВ/°С. При напряжении питания Епит = +5 В выходное напряжение изменяется от +0,25 В (при температуре -50°С) до +4,75 В (при температуре +150°С).

Использование кремниевых диодных структур в качестве первичных преобразователей температуры позволяет значительно улучшить линейность температурной характеристики полупроводникового датчика температуры по сравнения с кремниевым резистором. Это объясняется тем, что прямое падение напряжения на диоде более линейно изменяется с изменением температуры, чем электрическое сопротивление кремниевого терморезистора. Действительно, если через диод в прямом направлении пропускается постоянный ток 1пр, то его связь с прямым напряжением ипр на p-n переходе диода задается известным уравнением [2]:

I = I - Є

пр обр

ґq-ипР _ л у kT _ у

4

где k - постоянная Больцмана, q - заряд электрона, T - температура в

Кельвинах, 1обр - обратный ток через p-n переход.

т-, тт кТ

Если напряжение на p-n переходе достаточно велико, т.е. ипр >> —, то

членом (-1) в экспоненте можно пренебречь и из уравнения (1) можно получить выражение для ипр:

' кТ Л

q)

• ln

ґі Л

пр

^1 обр )

Параметром, определяющим температурную зависимость напряжения на p-n переходе диода в уравнении (2) является ток 1обр. На основании общей теории p-n перехода в [2] показано, что в ограниченном интервале температур (для кремниевых диодов от -50°С до +120°С) прямое падение напряжения ипр линейно зависит от температуры с температурным коэффициентом

( ТКН

dU пр dT

) порядка -2 мВ/°С в зависимости от типа диода и от плотности

тока в p-n переходе. Причем с ростом прямого тока через p-n переход ТКН уменьшается, а с уменьшением тока 1пр уменьшается интервал температур, в котором ТКН можно считать постоянным.

Поэтому, при использовании диодов в качестве чувствительных элементов в интегральных датчиках температуры, усилия разработчиков были направлены на снижение влияния обратного тока 1обр на зависимость напряжения ипр от температуры, а также улучшения эксплуатационных характеристик датчиков. Например, использование вместо диодов транзисторных структур, но в диодном включении, позволило снизить влияние сопротивления базы диода на температурную зависимость напряжения ипр, использование специального отбора транзисторов с одинаковыми значениями ипр и коэффициентом усиления по постоянному току [3], позволило обеспечить взаимозаменяемость диодных чувствительных элементов, и других вариан-

5

тов. Однако, наиболее перспективным, с точки зрения использования диодных чувствительных элементов и серийного изготовления полупроводниковых интегральных датчиков температуры, оказался вариант, предположенный в работе [4]. Через транзистор V в диодном включении (рис. 3) пропускаются поочередно два различных, но постоянных по величине тока 1пр1 и 1пр2 в прямом направлении по отношению к p-n переходу эмиттер-база, как показано на рис. 4, и при этом обеспечивается, для данных токов, высокий уровень инжекции, т.е. 1пр2 > Іпрі>>Іобр и Unpi>>kT/q, как показано на рис. 5.

Рис. 3 Транзистор V в диодном включении в качестве чувствительного

элемента.

Рис. 4 Диаграмма протекания токов 1пр1 и 1пр2 через диод эмиттер-база.

6

Рис. 5 Вольтамперная характеристика диода и значения напряжений, соответствующие прямым токам 1пр1 и 1пр2, протекающим через диод.

В этом случае (рис. 3), уравнение (2) можно переписать для двух токов (1пр1 и 1пр2) и для двух температур (Tb T2) следующим образом.

При токе через диод 1пр1 и температуре Ti получим:

гг кТ1 1

Unpi = —  ІП

q

f ^

пр1

V1 обр J

Соответственно, при токе через диод 1пр= 1пр2 и при температуре Т=Т1 уравнение (2) перепишется как:

Т

q

г

ln

I

\

пр 2

V 1 обр J

Изменение прямого тока через диод от значения 1пр1 до значения 1пр2 приведет к изменению напряжения на диоде (рис. 5) на величину:

кТ

DU Т = U 2 - U 1 = —  ln

1 q

г

і

п 2

V 1пр 1 J

7

Рассуждая аналогично для температуры Т=Т2, можно записать:

kT

DU Т = U , -U , =—^ ln

пр Т 2 пр 2 пр 1 ^

Ґ

I

Л

пр 2

V 1пр1 J

Если из уравнения (6) вычесть уравнение (5), то можно получить выражение, показывающее, как такое приращение прямого напряжения на диоде Д ипр зависит от температуры (при условии Т2>Т1):

Ґ

k

DU =DU Т -DU Т =(Т2 -Т)- ln

пр пр.Т 2 пр.Т1 V 2 1 / ^

I

Л

пр 2

V 1пр1 J

Уравнение (7) отличается от уравнения (2) тем, что в нем не содержится такой параметр диода, как 1обр, и что приращение прямого падения напряжения на диоде прямо пропорционально изменению температуры окружающей среды, не зависит от свойств полупроводникового материала и технологии изготовления транзисторной структуры. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) Д U^ определяется только электрическим режимом диода,

т.е. значением ln

fI ^

1 пр 2

V 1 пр1 J

а точнее отношением токов 1пр2 и 1пр1.

Импульсный электрический режим протекания токов через диод (рис.3), как следует из представленных выше рассуждений, легко заменить на электрический режим постоянных токов. Достаточно взять два одинаковых транзистора в диодном включении и пропускать одновременно в прямом направлении по отношению к p-n переходу эмиттер-база ток 1пр1 через один диод и ток 1пр2 через другой диод, а напряжение Д U^ снимать как разность между базами диодов (рис. 6).

8

Рис. 6 Схема чувствительного к температуре элемента на двух диодах с

постоянным режимом протекания токов I пр1

E E

пит тх т пит

Т и =~г

ч

2

Для схемы (рис. 6) уравнение (7) можно переписать в следующем виде:

DUпР =(Т2 - Ті )•

к {R1

— • ln

q l R2 )

Для обеспечения такого важного эксплуатационного параметра, как взаимозаменяемость чувствительного к температуре элемента (рис. 6), изготовленного с помощью полупроводниковой технологии, можно использовать лазерную подгонку величин резисторов R1 и R2, нанесенных на подложку, причем подложкой может служить и полупроводниковый кристалл, в котором сформированы транзисторные структуры. Следует отметить, что метод лазерной подгонки величин сопротивлений резисторов при изготовлении калиброванных датчиков широко используется как отечественными, так и зарубежными фирмами в настоящее время.

Другой вариант, позволяющий обеспечить приемлемую взаимозаменяемость чувствительного к температуре диодного элемента - это использование в схеме вместо транзистора V1 многоэмиттерной транзисторной

9

структуры. При этом величины сопротивлений резисторов Rj и R2 должны быть равными.

Предлагаемые данным вариантом схемотехнические решения, не изменяют механизм преобразования, положенный в основу работы чувствительного элемента и определяемый уравнением (7). Действительно, уравнение (7) для схемы (рис. 6) можно переписать в виде:

(

DU„p =(Т2 -Т)• -• ln

q

J пр 2

S

Л

Э 2

V Jпрі • *3і у

= (Т2 - Ті)• - • In

q

f  \

J пр 2

V

J прі

у

где и - площади эмиттерных p-n переходов транзисторов VI и V2 соответственно (поскольку транзисторы одинаковые в схеме рис. 6, то S3J=S32), jn^ и jw2 - плотность тока в эмиттере транзисторов VI и V2 соответственно.

Если в схеме (рис. 6) заменить транзистор VI на n-эмиттерную транзисторную структуру, в которой каждый единичный эмиттерный переход по площади равен эмиттерному переходу транзистора V2 и обеспечить условия протекания одинаковых по величине токов 1пр1 и 1пр2, то для такой схемы будут действительны соотношения S3j=n-S32 и уравнение (9) можно представить в виде:

ДЦ,р = Т - Ті )• - • In

q

S31

V S3 2 у

= {Т2 - Ті )• - • ln

q

Предложения по практической реализации данного варианта диодного чувствительного элемента рассмотрены, например, в работе [5]. На рис. 7 приведена принципиальная схема интегрального полупроводникового датчика температуры с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры.

і0

Рис. 7 Схема чувствительного к температуре элемента с многоэмиттер-ной транзисторной структурой.

Поскольку температурная чувствительность диодного элемента (рис. 7) порядка 0,2 мВ/град, то желательно его изготавливать и применять совместно с усилительным устройством V3. Схема чувствительного элемента (рис. 7) положена в основу серийно выпускаемого фирмой Texas Instruments датчика температуры типа STP - 35. В таблице 1 приведены параметры интегральных датчиков типа STP.

Таблица 1.

Погрешность Температур- Чувстви- Время сраба-

при 25°С, АТ, ный диапа- Ток, мА тельность, тывания т,

°С зон, °С мВ/град сек

STP-35A ±3 -40...+125 0,4. 5 10 13

STP-35B ±2 -40...+125 0,4. 5 10 13

STP-35C ±1 -40...+125 0,4. 5 10 13

Другими интересными примерами использования диодного чувствительного элемента (рис.7) являются датчики температуры типа LM3911,

LM50, LM60, серийного выпускаемые фирмой National Semiconductor. На

11

рис. 8 приведены температурные характеристики датчиков температуры LM50 и LM60.

-65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155

Температура, С

Рис. 8 Типовая зависимость ивых LM60 и LM50 от температуры при напряжении 10 В.

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов построения диодных интегральных датчиков наиболее перспективным оказался вариант (с точки зрения промышленного освоения и обеспечения взаимозаменяемости) использования диодного чувствительного элемента с многоэмиттерной транзисторной структурой, на основе которого серийно изготавливается большинство полупроводниковых интегральных датчиков температуры.

Выше был рассмотрен пример использования транзисторной структуры в качестве термопреобразователя при построении и серийном изготовлении интегральных датчиков температуры. Однако использование транзисторной структуры только в диодном включении, при котором исключена роль другого p-n перехода и утверждение, что при этом в современных датчиках температуры используются транзисторные термопреобразователи, не является достаточно корректным. В работе [6] предложена схема транзисторного преоб-

12

разователя, в которой оба р-n перехода транзистора (эмиттерный и коллекторный) используются по конкретному назначению. Схема включения транзистора как преобразователя температуры в электрический сигнал, приведена нарис. 9.

Увых

Рис. 9 Схема включения транзистора в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал.

Для того, чтобы транзистор V в схеме (рис. 9) выполнял роль термопреобразователя, необходимо обеспечить следующий электрический режим работы его p-n переходов. Во-первых, прямой ток через p-n переход эмиттер - база должен определяться только внешними элементами схемы и величина этого тока в диапазоне рабочих температур термопреобразователя не должны зависеть от температуры, т.е. необходимо, чтобы обеспечивались соотноше-т _ Еэ

ния 1э _ — и ЯЭ>>ЯЭБ, где ЯЭБ - сопротивление p-n перехода эмиттер - база

прямому току 1Э. Во-вторых, p-n переход коллектор - база транзисторного термопреобразователя должен быть смещён источником напряжения EK в прямом направлении, как и p-n переход эмиттер - база. В третьих, электрический сигнал, пропорциональный изменению температуры окружающей среды (напряжение ивых), снимается с резистора Як, а это означает, что в качестве термочувствительного параметра в данной схеме транзисторного термопреобразователя используется ток коллектора. Работу схемы транзисторного термопреобразователя (рис. 9) удобно рассматривать совместно с выходными вольтамперными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис. 10).

13

Рис. 10 Общий вид выходной вольтамперной характеристики n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Необходимо отметить, что область работы данного термопреобразователя имеет место только при включении транзистора по схеме с общей базой. На рис. 10 показано семейство выходных вольтамперных характеристик n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой, при различных значениях тока 1Э. При 1Э = 0

14

получим семейство выходных вольтамперных характеристик (рис. 10). В активной области работы транзистора (UK > 0) вольтамперные характеристики располагаются параллельно друг другу и их наклон и расстояние между ними не зависят ни от величины UK (вплоть до напряжения пробоя перехода коллектор - база), ни от температуры в диапазоне рабочих температур (как это следует из очевидного выражения ІК = ікбо + 1Э а, поскольку 1Э не зависит от температуры, ІКБ0 << 1Э, а коэффициент усиления транзистора в схеме с общей базой а» 1). Поэтому данная область работы транзистора не представляет интереса при создании транзисторных термопреобразователей. Другое дело область на рис. 10, характеризующаяся отрицательными значениями UK, или область работы транзистора с прямосмещёнными p-n переходами эмиттер - база и коллектор - база. Полагая, в общем случае, что токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов (инжектируемого и собираемого), для семейства выходных вольтамперных характеристик транзистора, включённого по схеме с общей базой, можно записать выражение [2]:

qUK

IK ~а' 1 э — 1 КБ0

Рассмотрим на рис. 10 вольтамперную характеристику с параметром 1Э1, полученную, как и все выходные характеристики, при температуре окружающей среды Т0. Точка 1 на характеристике определяется нулевым значением тока коллектора, т.е. ІК = 0. Тогда из уравнения (11) можно определить величину UK, при котором ІК = 0, а именно:

— Uk = — ln

kT

q

г

a• I

\

Э1

V ІКБ 0

+ 1

J

Величина UK, как следует из уравнения (12), зависит от величины тока ^ и может быть определена экспериментально. Если в схеме (рис. 9) создать условия ІК = 0 путем обрыва коллекторной цепи и ^ = І3і, то при этом в схеме обеспечивается соотношение І^ = ІБ, а на коллекторном выводе создается

15

потенциал jk , равный по величине Uk. Ориентировочно величину потенциала jk можно определить с помощью вольтметра с высокоомным входом.

Создать условие 1К = 0, в схеме рис. 9, при этом 1Э = hi, можно и по другому, не прибегая к обрыву в цепи коллектора, а путем подачи от коллекторного источника EK напряжения на коллектор (рис. 9), равного по величине

потенциалу j , т.е. если EK =jk, то 1К = 0. Экспериментально это условие легко контролируется путем измерения напряжения на резисторе RK, которое при этом должно быть равно нулю, т.е. иВЫХ = 0 и 1К = 0. Результаты измерения напряжения источника EK в данном случае и расчета UK с использованием уравнения (12) показывают, что соотношение EK =jk = UK при Ik = 0 выполняется с точностью, необходимой для применения данного уравнения при создании транзисторных термопреобразователей. В точке 1 (рис. 10), где выполняется условие 1К = 0 и 1Э1 = 1Б, p-n переход эмиттер - база работает как прямосмещённый и изолированный от коллектора диод. Известно [2], что напряжение на диоде при постоянном прямом токе изменяется от температуры согласно уравнению (2). При установлении температуры окружающей среды Токр = Т0 - АТ, т.е. при уменьшении температуры на АТ, получим отклонение характеристики влево, как показано на рис. 10 пунктирной линией слева от точки 1, на величину AUK = (ТКН) АТ. Аналогичное смещение характеристики, но вправо от точки 1, как показано на рис. 10 пунктирной линией, произойдёт, если окружающую температуру повысить на АТ, т.е. установить Токр = Т0 + АТ. Проведенная через точку 1 в соответствии с величиной резистора RK нагрузочная прямая пересекает рассмотренные выше пунктирные линии в точках 4 и 3. При этом величина выходного напряжения иВЫХ в схеме (рис. 9) будет иметь значение, согласно рис. 10, соответственно:

Ubhx 4 = -AIkRk и Ubhx з = +AIkRk 16

16

Если выполняется условие 1Э1 >> ± ЫК, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что иВЫХ = AIKRK » (ТКН)ЛТ, в диапазоне изменения коллекторного тока от -А1К до +А1К. Для начальной температуры среды Т0 может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С. На рис. 11 показан характер изменения коллекторного тока 1К от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки RK для кремниевого транзистора, включенного по схеме рис. 9. 17

Рис. 11 Зависимость коллекторного тока 1К от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки RK для транзисторного термопреобразователя

17

Принимая во внимание, что изменение выходного напряжения интегральных датчиков температуры, построенных с использованием в качестве термопреобразователей кремниевых резисторов и диодов по характеру идентичны, то, сравнивая графики, приведенные на рис. 8 с графиками на рис. 11 можно сделать по работе транзисторного термопреобразователя следующие выводы:

1. При заданном токе эмиттера, при условии 1Э >> 1К, температурный коэффициент коллекторного тока практически постоянен в широком диапазоне температур от -50°С до +°150°С и имеет высокое значение, порядка (1 -2) мкА/°С, обеспечивающее применение транзиторного термопреобразователя без дополнительных усилительных устройств.

2. В режиме прямых токов возможна плавная регулировка величины коллекторного тока в широких пределах (включая и нулевое значение) при изменении напряжения EK, смещающего коллекторный переход в прямом направлении. При этом, температурный коэффициент остается неизменным, температурная характеристика транзисторного термопреобразователя (прямая линия) имеет положительные и отрицательные значения тока коллектора, соответствующие положительным и отрицательным значениям измеряемых температур. Такая шкала абсолютного термометра не обеспечивается в терморезисторных и диодных датчиках температуры.

3. Зависимость температурного коэффициента коллекторного тока от величины резистора RK, не зависящего от температуры, даёт возможность регулировать чувствительность транзисторного термопреобразователя независимо от материала и технологии его изготовления, в отличие от его полупроводниковых аналогов.

Таким образом, в данной работе рассмотрены наиболее перспективные

полупроводниковые термопреобразователи и методы создания на их основе

полупроводниковых интегральных датчиков температуры. Следует отметить,

18

что, несмотря на значительный вклад отечественной промышленности в разработку полупроводниковых термопреобразователей, интегральные датчики температуры серийно освоены и выпускаются только зарубежными фирмами. 19

19

Литература.

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва «Мир», 1989 г., 198 с.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М., «Энергия», 1967г., 614 с.

3. Pat O’Neil, Carl Derrington. Transistors - a hot tip for accurate temperature sensing. Electronics, 1979, №21, pp 137-141.

4. Громов В.С.,Николаевский И.Ф. Использование входного сопротивления транзистора для измерения температуры коллекторного перехода. -В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Я. А. Федотова. - М.: Сов. Радио, 1969, с. 251-259.

5. Gerard de Haan Gerard C.M. Meijer. An accurate small-range JC temperature transducer. IEEE Journal of solid-state circuits, vol. sc-15, no.6, desember 1980, pp 1089-1091.

6. Громов В.С., Кривоносов А.И., Утямышев Р.И. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам открытий и изобретений при СМ СССР. Авторское свидетельство № 361358. Опубликовано в бюллетене № 1, 1973, 3с.

20

Авторы

Громов Вячеслав Сергеевич, ОАО ЦНИИ «Циклон», руководитель метрологической службы, доцент, д. т. н., т. раб. (495) 785-51-81, доб.41-22, т. дом. (499) 165-10-95

Шестимеров Сергей Михайлович, ОАО ЦНИИ «Циклон», начальник лаборатории, т. раб. (495) 785-51-81, доб.44-91, т. дом. (495) 524-43-20, email: shestimerov@yandex.ru

Увайсов Сайгид Увайсович, МИЭМ, профессор кафедры РТУиС, д.т.н., т. раб. (495) 916-88-80, т. дом. (495) 780-59-86, e-mail: uvaysov@yandex.ru

21

Аннотация.

Методы построения полупроводниковых датчиков температуры

В статье дан обзор интегральных твердотельных датчиков температуры, основанных на использовании в качестве первичных преобразователей температуры в электрический сигнал кремниевых резисторов, диодов, транзисторов. Рассмотрены вопросы построения измерительных схем с использованием указанных преобразователей и механизмов преобразования, связанных с особенностью их применения. Приведены примеры промышленной реализации кремниевых интегральных датчиков отечественными и зарубежными фирмами.

Рассмотрены особенности изготовления и применения кремниевых терморезисторов, выпускаемых промышленностью (например, отечественных СТ6-1 и зарубежных КТІ81), описаны общие принципы измерения температуры с помощью кремниевых термометров, отмечены их метрологические достоинства и недостатки, а также рассмотрены схемотехнические решения и метрологические характеристики зарубежных монолитных интегральных датчиков температуры на основе кремниевых резисторов типа AD22100.

Рассмотрены особенности построения кремниевых диодных первичных преобразователей температуры, выходной сигнал которых при заданном электрическом режиме изменяется только от температуры и не зависит от технологии изготовления диодов. Приводятся схемотехнические решения, уравнения преобразования и метрологические характеристики зарубежных монолитных интегральных датчиков температуры на основе диодных первичных преобразователей типа STP35, LM3911, LM50, LM60.

Рассмотрены схемотехнические особенности построения транзисторного датчика температуры, его уравнение преобразования и метрологические характеристики. Приведены сравнения характеристик транзисторного датчика и его зарубежных аналогов (LM50, LM60). Показано, что несмотря на про-

22

стоту схемотехнического решения, транзисторный датчик имеет больший диапазон измеряемых температур (от -50оС до +150оС), высокую чувствительность при отсутствии встроенных усилительных устройств, линейную шкалу, соответствующую шкале Цельсия, и является перспективным устройством для создания датчиков нескольких физических величин.

Статья содержит: 15 стр. маш. текста, рисунков 11, библ. 6.

Ключевые слова: датчик температуры, транзисторный датчик, термопреобразователь, абсолютный термометр, кремниевый интегральный датчик, кремниевый резистор, кремниевый диод, кремниевый транзисторов, серийные интегральных датчики температуры, многоэмиттерная транзисторная структура.

23

Authors

Gromov Vyacheslav Sergeevich, Ltd. Central Research Institute "Cyclone", the head metrological-ray service, associate professor, Ph.D., is a slave. (495) 78551-81, dob.41-22, that house. (499) 165-10-95

Shestimerov Sergei Mikhailovich, Ltd. Central Research Institute "Cyclone", head of the laboratory, that is a slave. (495) 785-51-81, dob.44-91, that house. (495) 524-43-20, e-mail: shestimerov@yandex.ru

Uvaisov Saygid Uvaysovich, MIEM, Professor RTUiS, Ph.D., is a slave. (495) 916-88-80, ie house. (495) 780-59-86, e-mail: uvaysov@yandex.ru

24

Abstract.

Methods of constructing semiconductor temperature sensors

The article provides an overview of integrated solid state temperature sensors, based on the use-governmental as the primary temperature converters in electric-sky signal silicon resistors, diodes, transistors. The problems in the structure of the measuring circuits using these converters and tools for transformation-related feature of their application. Examples of industrial implementation of silicon integrated sensors domestic and Zar-eign firms.

The features of the production and use of silicon termorezisto-ing produced by industry (eg, domestic ST6-1 and foreign KTI81), describes the general principles of temperature measurement using silicon-ter-mometrov, marked their metrological advantages and disadvantages, and also considered the circuit solutions and metrological characteristics of foreign monolithic integrated temperature sensors based on silicon resistors type AD22100.

The features of silicon diode of the primary trans-ers in temperature, the output of which at a given electric mode of changes of temperature only and is not dependent on the technology of manufacturing diodes. Are set out circuit solutions, the equation changes and metrological charac-teristics of foreign monolithic integrated temperature sensors based on diode-governmental primary converters type STP35, LM3911, LM50, LM60.

We consider circuit design features of the transistor temperature sensor, its equation of transformation and metrological characteristics. Priv deny comparing the characteristics of the transistor sensor and its foreign counterparts (LM50, LM60). It is shown that despite the simplicity of circuit solutions, transistor sensor has a larger range of measured temperatures (from-50 ° C to +150 ° C), high sensitivity in the absence of built-in amplifier mouth-nal, a linear scale corresponding to the Celsius scale, and is a promising device for the creation of several sensors physical quantities.

This article contains: 15 pages mash. text, figures 11, Bibl. 6.

25

Keywords: temperature sensor, transistor sensor termopreobrazova-Tel, an absolute thermometer, silicon integrated sensor, silicon resistor, silicon diode, silicon transistors, serial integrated temperature sensors, multiemitter transistor structure.

26