Полупроводниковые датчики температуры

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ Р-N ПЕРЕХОДА

Характеристики полупроводникового р-п перехода в диодах и биполярных транзисторах довольно сильно зависят от температуры [11]. Если прямосмещенный переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 16.19А) (см. раздел 5.3.1 главы 5), выходное напряжение, снимаемое с него, будет прямо пропорционально изменению его температуры (рис. 16.20). Достоинством такого датчика является его линейность, что дает возможность проводить его калибровку только по двум точкам для определения наклона прямой и ее пересечения с координатной осью (наклон прямой характеризует чувствительность детектора).

Рис. 16.20. Зависимость напряжения от температуры для прямосмещенного полупроводникового перехода, снятая в условиях постоянного тока

к примеру, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, температурная чувствительность равна — 2.3 мВ/°С, а при токе 1 мА, она падает до — 2.0 мВ/°С. Любой диод или биполярный транзистор могут быть использованы в качестве сенсоров температуры. На рис. 16.19Б отображена схема детектора температуры на базе транзистора, в той вместо источника тока используется источник напряжения и резистор R. Ток, протекающий через транзистор, можно найти из выражения:

Рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при Е = 5 В и К=0.6 В, сопротивление R = (E-V)/I = 44 кОм. При увеличении температуры напряжение Кпада—

Рис. 16.21. Зависимость погрешности измерений от температуры, построенная для датчика температуры, реализованного на основе кремниевого транзистора PN100

ет, что приводит к незначительному увеличению тока /. В соответствии с уравнением (16.47) это вызывает нето снижение чувствительности, которая выражается в появлении нелинейности. Этой нелинейностью в ряде случаев можно пренебречь, однако иногда при обработке сигналов ее приходится учитывать. Благодаря простоте и очень низкой стоимости, транзисторные (диодные) датчики температуры получили довольно широкое распространение. На рис. 16.21 отображена зависимость погрешности измерений датчика температуры, реализованного на основе транзистора PN100, от температуры при рабочем токе 100 мкА. Как видно из рисунка, погрешность измерений довольно мала, и во многих случаях можно даже обойтись без коррекции нелинейности.

Детекторы температуры на основе диодов часто встраиваются в кремниевую подложку монолитных сенсоров для осуществления температурной компенсации. к примеру, такие детекторы методом диффузии формируются на мембранах кремниевых микросенсоров давления для компенсации температурной зависимости пьезорезистивных элементов.

Напряжение на транзисторах всегда пропорционально абсолютной температуре в Кельвинах. На основе этого свойства можно реализовать недорогой, но достаточно точный датчик температуры. В этом датчике можно либо непосредственно измерять напряжение, либо предварительно преобразовать напряжение в ток, по величине того определять температуру [12]. Такой полупроводниковый датчик температуры построен на основе зависимости между напряжением база-эмиттер (VBE) и коллекторным током биполярного транзистора. На рис. 16.22А отображена упрощенная схема детектора температуры. В этом датчике транзисторы Ql и Q4 формируют, так называемое, токовое зеркало, вырабатывающее два одинаковых тока Тс=1 и /„=/, которые поступают на транзисторы Qx и Qr Величина коллекторных токов определяется сопротивлением R. В монолитной схеме транзистор Q2, как правило, состоит из нескольких идентичных транзисторов (к примеру, 8), включенных параллельно. Поэтому плотность тока в Q] будет в восемь раз больше, чем на каждом из транзисторов, входящих в состав Qr Разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов Qx и Q2 равна:

где г-множитель тока (8 в нашем примере), к — постоянная Больцмана, q — заряд электрона, Т — температура в Кельвинах. Ток Icm одинаков для обоих транзисторов. Ток, протекающий через резистор R, создает на нем напряжение V = 179 мкВ/ К, величина того не зависит от токов на коллекторах. Исходя из этого, можно найти выражение для суммарного тока, протекающего через датчик:

При г=8 и R = 358 Ом, данный датчик обладает линейной передаточной функцией: //Г= 1 мкА/К.

Рис. 16.22. Упрощенная схема полупроводникового датчика температуры (А) и зависимости тока от напряжения (Б)

На рис. 16.22Б отображены зависимости тока от напряжения, построенные для разных температур. Отметим, что значение выражения в круглых скобках в уравнении (16.50) в данном конкретном случае является постоянной величиной и может быть точно подстроено в процессе изготовления для получения требуемого наклона. Ток легко преобразуется в напряжение. к примеру, если последовательно с датчиком включить резистор номиналом 10 кОм, напряжение на нем будет прямо пропорционально абсолютной температуре.

Работа упрощенной схемы, отображенной на рис. 16.22А, соответствует

Рис. 16.23. Типовая передаточная функция полупроводникового датчика температуры LM35DZ (Напечатано с разрешения National Semiconductors, Inc)

Поскольку таких транзисторов не бывает, в схемы, применяемые на практике, приходится вводить много дополнительных компонентов. Многие фирмы выпускают датчики температуры, реализованные на этом принципе. Среди них LM35 (National Semiconductors) — с выходом по напряжению и AD590 (Analog Devices) — с токовым выходом.

На рис. 16.23 отображена передаточная функция датчика LM35Z, чувствительность того настроена на уровень 10 мВ/°С. Погрешность нелинейности такого датчика невелика, обычно она не выходит за пределы ±0.ГС.

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

Полупроводниковый датчик температуры

Вледельцы патента:

Винницкий государственный технический университет (UA)

Использование: в устройствах автоматического управления технологическими процессами. Сущность изобретения: датчик температуры содержит два источника постоянного напряжения 1, 10, два термочувствительных диода 2, 7, два полевых транзистора 4, 5, два ограничительных резистора 3, 6. Истоки полевых транзисторов соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов подключена цепочка из катушки индуктивности и конденсатора. Нагрев вызывает изменение полного сопротивления термодиодов 2, 7, что приводит к изменению емкостной составляющей сопротивления на выводах сток - сток полевых транзисторов. В результате изменяется резонансная частота колебательного контура. 1 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик температуры в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения температуры, например кремниевый датчик температуры, изготовленный на основе биполярной технологии. В данном случае в качестве измеряемой величины используется напряжение между базой и эмиттером кремниевого диода, которое при известной ширине запрещенной зоны описывается уравнением U_бе =nkT/e ln(I_с /I_нас ), где Т - температура; I_с - плотность прямого тока; I_нас - плотность обратного тока диода; k - постоянная Больцмана; е - элементарный заряд (1,60210 -19 Кл); n - коэффициент, характеризующий температурную зависимость диффузии носителей заряда.

Измерительная схема такого типа представляет собой последовательное соединение кремниевого полупроводникового диода с добавочным сопротивлением. С помощью добавочного сопротивления устанавливается максимальный ток, меньший 5 мА, чтобы ограничить самонагрев датчика. Рабочее напряжение не нуждается в стабилизации и может находиться в диапазоне от 6 до 24 В. В этом случае чувствительность измеряемого на выходе напряжения составляет 10 мВ/ o C. Усиленное в 100 раз выходное напряжение показывает абсолютную температуру по шкале Кельвина (0 o C = 273 К, 20 o C = 297 К) (см. Виглеб Г. Датчики. М. Мир, 1989, с. 29-33).

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области высоких температур, так как при этом возникают дополнительные явления генерации носителей заряда, которые не учитываются изменением напряжения на клеммах эмиттер - база.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать устройство для измерения температуры ( см. авт.св. СССР N 1448221, кл. G 01 K 7/22, 1988). Устройство переставляет собой генератор, к которому подключен источник управляющего напряжения, катушка индуктивности, конденсатор и термопреобразовательный полупроводниковый диод, выполненный в виде светодиода. Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение реактивной составляющей полного сопротивления устройства, что приводит к изменению частоты гармонических колебаний генератора.

Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области низких и высоких температур, так как при этом емкостная составляющая термопреобразовательного полупроводникового диода мало изменяется при значительных изменениях температуры.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового датчика температуры, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве осуществляется преобразование температуры в частоту за счет изменения емкостной составляющей термочувствительного диода, в то время как в предлагаемом устройстве происходит преобразование как емкостной, так и активной составляющих полного сопротивления термочувствительных диодов в частоту, для чего конструкция устройства выполнена в виде полупроводникового датчика температуры, содержащего термочувствительный диод, генератор, источник напряжения, в который введены полевой транзистор, два резистора, термочувствительный диод, источник напряжения, причем затвор первого полевого транзистора через первый термочувствительный диод, первый резистор и первый источник напряжения соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй резистор и второй термочувствительный диод соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго термочувствительного диода и первому полюсу второго источника напряжения, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников напряжения, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Использование предлагаемого устройства для измерения температуры существенно повышает чувствительность и точность измерения информативного параметра за счет изменения полного сопротивления термочувствительных диодов под действием температуры, которое преобразуется в изменение емкости колебательного контура, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников напряжения.

На чертеже представлен полупроводниковый датчик температуры, содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание термочувствительного диода 2 через ограничительный резистор 3, а также полевых транзисторов 4 и 5. Затвор полевого транзистора 4 соединен через последовательную цепь ограничительного резистора 3 и термочувствительный диод 2 со стоком полевого транзистора 5, а затвор полевого транзистора 5 через последовательную цепь ограничительного резистора 6 и термочувствительного диода 7 соединен со стоком полевого транзистора 4. Истоки полевых транзисторов 4 и 5 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 4 и 5 подключена последовательная цепь, состоящая из катушки индуктивности 8 и конденсатора 9, совместно с источником электрического напряжения 10. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 9 и общей шиной.

Полупроводниковый датчик температуры работает следующим образом. В начальный момент времени тепловое излучение не действует на термочувствительные диоды 2 и 7. Повышением напряжения источников 1 и 10 до величины, когда на выводах сток - сток полевых транзисторов 4 и 5 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на выводах сток - сток полевых транзисторов 4 и 5 и индуктивным сопротивлением катушки индуктивности 8. Конденсатор 9 предохраняет источник напряжения 10 от короткого замыкания через катушку индуктивности 8, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче теплового излучения на термочувствительные диоды 2 и 7 происходит изменение их полного сопротивления, что приводит к изменению емкостной составляющей на выводах сток - сток полевых транзисторов 4 и 5, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура.

Формула изобретения

Полупроводниковый датчик температуры, содержащий первый термочувствительный диод, катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с первым выводом конденсатора, первый полевой транзистор и первый источник напряжения, отличающийся тем, что в него введены второй термочувствительный диод, второй источник напряжения, второй полевой транзистор и два резистора, при этом затвор первого полевого транзистора через первый термочувствительный диод и первый резистор соединен с первым полюсом первого источника напряжения, второй полюс которого соединен со стоком второго полевого транзистора, затвор второго полевого транзистора через второй резистор и второй термочувствительный диод соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки обоих полевых транзисторов соединены между собой, второй вывод катушки индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго термочувствительного диода и первому полюсу второго источника напряжения, первый вывод конденсатора соединен с первой выходной клеммой, второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора и вторым полюсам источников напряжения, которые образуют общую шину, подключенную ко второй выходной клемме.

Похожие темы

научной работы на тему "ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ". Научная статья по специальности "Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук"

Громов B.C. Шестимеров С.М. Увайсов С.У. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

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, исполь зуемому 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 положительным ТКС. Отрицательный ТКС имеют, как правильно, полупроводниковые резисторы, изготовленные на основе медно-марганцевых (типа ММТ) и кобальтомарганцевых (типа КМТ) оксидных полупроводников. Получение необходимых величин сопротивлений и ТКС достигается изменением процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного осаждения щелочью азотно-кислотных 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 составляет ±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 правильно, ограничивается системами терморегулирования и термозащиты.

Полупроводниковые резисторы на основе монокристаллических полупроводников, например, кремния, германия, карбида кремния, фосфира гелия, выполняются как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Кремниевые, например, 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, например, путем химического осаждения никеля. Полупроводниковые резисторы на основе кремния (отечественные, например, СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-3Б и зарубежные, например, типа KTI-81) имеют более высокий ТКС и значительно меньшие габариты по сравнению с поликристаллическими резисторами и резисторами, выполненными из меди и пластины. 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, электро-

химическим травлением или лазерным выжиганием резисторного слоя на кремниевой пластине. Использование кремниевых резисторов для измерения температуры представляет особый интерес в случае массового применения, 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 значительная нелинейность температурной характеристики. Однако для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение. Схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTI-81 с положительным ТКС, приведена на рис. 1 [1]

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

Полупроводниковый резистор размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R4. R7. Измерительный мост питается напряжением 2,7 В, стабилизированным с помощью стабилитрона V1. 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, упрощенный принцип работы которых приведен на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема датчика температуры типа AD2210 0 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 ^ых равен 22,5 мВ/°С. При напряжении питания

Eпит = +5 В выходное напряжение изменяется от +0,25 В (при температуре -50 С) до +4,75 В (при температуре +150°С). Использование диодных структур в качестве первичных преобразователей температу-

ры позволяет значительно улучшить линейность температурной характеристики полупроводникового датчика температуры по сравнения с кремниевым резистором. Это объясняется тем, что прямое падение напряжения на диоде при специальном его применении 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 и^ на p-n

переходе диода задается известным уравнением [2]:

где k - постоянная Больцмана, ток через р-п переход.

q - заряд электрона, T - температура в Кельвинах, I