2. Резистивные сенсоры температуры

Физические свойства материалов и параметры выполненных их них деталей в той или иной степени зависят от температуры и несут таким образом информацию о её величине. Для извлечения этой информации необходимы дополнительные устройства, в связи с чем такие сенсоры и датчики на их основе относятся к числу пассивных.

Зависимость сопротивления металлов от температуры R(T) впервые заметил Х. Дэви в 1821г., а в 1871г. В. Сименс сделал первый резистивный термометр из платиновой проволоки. Сейчас существует большое разнообразие резистивных датчиков температуры. В микросистемной технике используют тот же принцип, т.е. измеряют зависимость сопротивления от температуры, только резисторы берут обычно пленочные или полупроводниковые. Их достоинствами являются высокая чувствительность, простой интерфейс, долговременная стабильность.

Рассмотрим сначала датчики на основе металлических пленок. Зависимость R(T) наблюдается у всех металлов, но не все используют в качестве основы для сенсоров. Известно, что электрические свойства материалов в тонких слоях сильно отличаются от объемных и зависят также от способа изготовления пленки. Поэтому, круг материалов, используемых для изготовления сенсоров, ограничен наиболее изученными и стабильными. Среди металлов это платина (при измерениях температуры до 600⁰С) и молибден - при измерениях более высоких температур.

Конструкция резистивного сенсора температуры является типичной для пленочных схем (рис. 5). Подложкой является диэлектрик (ситалл, керамика) или кремний, покрытый диэлектрической пленкой окиси SiO₂ или нитрида кремния Si₃N₄. В плане структура может быть линейной (А) или иметь форму меандра для повышения сопротивления за счет увеличения отношения длины к ширине резистора (В).

Величина сопротивления определяется выражением

R = R□ ,

где R□ - сопротивление квадрата пленки, для платины лежит в пределах 100 1000 Ом/□ в зависимости от толщины материала.

Рис. 5. Структура тонкопленочного терморезистора:

А – линейного; В – типа «меандр»

Функция изменения сопротивления от температуры обычно апроксимируется линейной зависимостью вида

R = R₀ [1 + α (t – t₀)],

где R₀ – значение сопротивления при эталонной (например, комнатной) температуре; α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Для расчетов в более широком диапазоне температур иногда используют полиномиальную зависимость второго порядка. Например, для платинового проволочного сенсора справедливы следующие аппромаксимации:

R = R₀ (1+36,79 ·10^-4 Δt)

или

R = R₀ (1+36,79 ·10^-4 Δt – 5,8·10^-7 Δt²).

Наряду с металлопленочными резисторами в изделиях МСТ могут применяться термисторные сенсоры, т.е. резисторы специально изготовленные из керамических полупроводников с большими значениями ТКС. Если в традиционной электронике термисторы изготавливаются в виде самостоятельных изделий в формах диска, капли, трубки, пластины и т.п., то в МСТ они получаются методами толстопленочной электроники на достаточно термостойкой подложке (например, керамике). Термисторы получают спеканием нескольких оксидов из ряда следующих металлов: никель, марганец, кобальт, титан, железо. При этом можно получить элементы в широком диапазоне сопротивлений от единицы Ом до многих МОм как с положительным, так и с отрицательными ТКС. Поскольку зависимости сопротивлений от температуры существенно нелинейны, их аппроксимируют нелинейными уравнениями. В частности, нередко используют выражение

R_t = R_t0 e ^{-β (1/T – 1/T}₀ ⁾ ,

где Т₀ – калибровочная температура в К; R_t0 – значение сопротивления при температуре калибровки; β – характеристи-ческая температура материала в К.

Обычно β составляет 3000 – 5000 К.

В изделиях МСТ естественно использовать также накопленный в микроэлектронике опыт проектирования и изготовления в качестве датчиков температуры полупроводниковых кремниевых резисторов.

Проводимость полупроводников (и, в частности, кремния) определяется двумя главными факторами: концентрацией носителей заряда и их подвижностью. Оба эти параметра существенно меняются при колебаниях температуры. Рассмотрим качественно суть этих изменений.

В собственном полупроводнике при фиксированной температуре проводимость определяется наличием электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Это количество увеличивается с ростом температуры, что и обуславливает отрицательный ТКС полупроводника. В примесном полупроводнике проводимость в основном определяется концентрацией легирующих примесей и их характером. Избыточную (по отношению к собственной) концентрацию электронов создает донорная примесь, избыток дырок обеспечивают акцепторы. В широком диапазоне температур все примесные атомы активированы. Концентрация примесных носителей зарядов практически постоянна и преобладает над собственной. Практический температурный предел работоспособности полупроводниковых приборов чаще всего определяется тем фактом, что нарастающая с ростом температуры генерация собственных носителей заряда вначале сравнивает их концентрацию с концентрацией примесных, а затем становится преобладающей. Для кремния эта область “конкуренции” примесной и собственной концентраций лежит в районе 200 ⁰С.

Не менее сложной является картина влияния подвижности на температурную зависимость проводимости полупроводника. Она определяется характером рассеяния носителей заряда. В области очень низких температур (обычно за пределами традиционного температурного диапазона работы аппаратуры) подвижность носителей определяется механизмом их рассеяния на ионизированных примесях. При этом подвижность пропорциональна Т^3/2, т.е. нарастает с повышением температуры. При более высоких температурах (в том числе и обычных “рабочих” температурах устройств) начинает преобладать рассеяние носителей на тепловых колебаниях решетки (фононное рассеяние) и зависимость подвижности от температуры пропорциональна Т ^-3/2.

Таким образом, при различных выборах материалов и в разных температурных диапазонах температурный коэффициент сопротивления кремния может быть как положительным, так и отрицательным. Для грубой ориентировки можно считать, что при температурах ниже 200 ⁰С температурный коэффициент кремниевых резисторов будет иметь положительное значение, а при t > 200 ⁰С – отрицательное.

В диапазоне температур –50+150 ⁰С типичная чувствительность кремниевого резистивного сенсора составляет 0,7% / ⁰С, а его параметры можно аппроксимировать полиномом второго порядка

R_T = R₀ (1+AΔt + BΔt²),

где R₀ – значение сопротивления резистора в эталонной точке, Δt – значения отклонений температуры от нее.

О порядке величин коэффициентов А и В можно судить по их значениям в типичном датчике температуры KTY-81:

А = 7,87 ·10^-3 К^-1 , В = 1,874 ·10^-5 К^-2

в диапазоне температур -55 +150 ⁰С.

Использование резистивных сенсоров в датчиках температуры имеет характерную особенность. Поскольку такой сенсор не вырабатывает информационный сигнал самостоятельно, для измерения его сопротивления приходится пропускать ток от измерительного устройства. Этот ток вызывает саморазогрев резистивного сенсора, что увеличивает погрешность измерений. Отсюда следует, что необходимо использовать измерительные схемы, требующие минимальных значений протекающего через сенсор тока, в частности, эти схемы обычно используют очень низкие значения напряжений питания.

Наиболее часто для измерений сопротивления в резистивных сенсорах используют потенциометрические и мостовые схемы.

Конструктивная реализация полупроводниковых резистивных сенсоров температуры допускает любой конструктивно-технический вариант выполнения, используемый в микроэлектронике. Типичные структуры приведены на рис. 6.

Рис. 6. Однополосковые структуры интегральных терморезистивных сенсоров:

а) равномерно легированный эпитаксиальный терморезистор с мезаструктурой; б) равномерно легированный терморезистор с окисной изоляцией; в) диффузионный терморезистор; г) ионно-имплантированный терморезистор;

1 – терморезистор; 2 – защитное покрытие;

3 – металлизированные токоведущие дорожки;

4 – подложка; 5 – сильнолегированная подконтактная область.

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.