Датчик температуры
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, соцержашнй попупровоцииковый термочувствитепьный эпемент, выполненный в виае монокристаппа кремния нитевицнрй ипи игольчатой формы, снабженного омическими контактами, о т п и ч a ющ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности датчики, на поверхность монокристаппа кремния нанесено диэлектрическое пок{№1тие из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, превышаюашм темпе-ратурный коэффициент линейного расширения полупроводника, a два омических контакта монокристалла кремния расположены симметрично на расстоянии относительно, его сереаины, определяемом по формуле Ъ 2 С(Т) L, - длина монокристалла кремния; где ( - ширина грани монокристалла кремния у его торца; С(т) - коэффициент передачи дефорцi «а1Ши от диэлектрического (/ покрытия к монокристаллу кремния, зависящий от темпеС ратуры; Ъ - безразмерный коэффициент, учитывающий краевой эффект н определяемый опытным путем . СП ю 00 00 (Patj
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
gag 01 К 7/22
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ1Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ С вЂ” — — о
2 С(Т1 гце
° а С(Т1жанни от циэпектрического покрытия к монокристаппу кремния, эависящнй от температуры: беэразмерный коэффициент, учитывающий краевой эффект и оцрецеляемый опытным путем.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
rV ДЕЛА ИЗОБРЕТЕНИЙ W ОТНР ТИЙ (21) 3398723/18-10 (22) 24.02.82 (46) 07.11.83. Бюп. М 41 (72) А. И. Дрожжин и А. П. Ермаков (71) Воронежский политехнический институт (53) 536.53 (088.8} (56} 1. Кривоносов А. И. Попупровоцни ковые цатчики температуры. М., Энергия", 1974.
2. Авторское свицетеньство СССР
М 347594, кп. Q 01 К 7/22, 1970 (прототиц). (54) (57) ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, соцержащий попупровоцниковый термочувствитеаьный элемент, выполненный в вице монокристаппа кремния нитевицной ипи игольчатой формы, снабженного омическими контактами, о т п и ч а юшийся тем, что, с цепью повыше .ния чувствитецьности цатчика, на поверхность монокристацпа кремния нанесено циэпектрическое покрытие иэ матерна,ЯУ„„1052887 A па с температурным коэффициентом пи нейного расширения, превышающим температурный коэффициент линейного расширения полупровоцника, в цва омических контакта монокристаппа кремния расположены симметрично на расстоянии относительно, его серецины, опрецепяемом по формуле цпинв монокристаппа кремния; ширина грани монокристаппв кремния у его торца; коэффициент перецачи цефоре
Изобретение относится к приборостроению и может быть испопьзовано цпа измерения температуры поверхности тверцых теп, жидких и газообразных сред, в том чиспе и агрессивных. 5 Известны датчики температуры, в которьи в качестве термочувствитепьного элемента ислопьзованы разпичные популровопниковы приборы (терморезисторы, циоцы, тиристоры и т. д. (13 . 30
Недостатками известных датчиков явпяпОтся ОтнОситепьно низкая чувствитель ность, плохая воспроизвопимость, низкие стабильность и точность, ограниченный температурный диапазон, бопьшая теппо вая инерция.
Наибопее бпизкпм по технической сущ . ности к изобретению явпяется датчик температуры, содержаший попупроводни- ковый термочувствитепьный элемент, 20 вылопненный в виде монокристаппа кремния нчтевпдной ипи игопьчатой формы, снабженного омическими контактами 2) .
Недостатки такого датчика закпючаются в относитецьно мапой чувствитепь- д ности к изменению температуры и нестабипьности его характеристики при воздействии агрессивной среды, что сушест= венпо снижаez точность измерения.
Иець изобретения - повышение чувствительности датчика.
Поставленная пель достигается тем, что в датчике температуры, содержащем попупровопниковый термочувствитепьны@ эп ем ент, выл опненны и в ви де мои окри стап35 па гремния нитевидной ипи игопьчатой формы, снабженного омическими контактами, на поверхность монокристаппа кремния нанесено циэпектрическое покрытие из материапа с температурным коэф )и
40 циентом пипеиного расширения, превышаюшим температурный коэффициент пи-нейного расшцрения попупроводника, а два омическиK к оeн т=а к тrа eмонокристаHBB кремния ряспопожены симметрично на расстоя45 нии 0 относительно егo серецинь., ппредепяемом но формупе Ь
Z C(T)
50 гцо L, - длина монокристаппа кремния;
- ширина грани мококристаппа кремния у его торца;
С() - коэффициент передачи деформации от диэпектрчческого покрытия и монокоистаппу кремния, зависевший от температуры;
887 2
Ь - безразмерный коэффициент, учитывающий краевой эффект и опрепепяемый опъ тным путем.
На фиг. 1 показан датчик температуры с термочувствитепьным эпементом на основе монокристаппа попупроводника игопьчатой формы: HA фиг. 2 - то же, с термочувствитепьным эпементом,изготовпенным на основе монокристапца попупроводника нитевидной формьь
Датчик температуры состоит из тер мочувствитепьного элемента 1, омичес . ких контактов с токовыми выводами 2 и 3 циэпектрического покрытия 4.
Термочувствитепьный эпемент 1 изготовпен нз монокристаппа попупроводника - кремния р-типа с ориентацией оси роста 4111 ) и имеет игопьчатую ипи нитевидную форму. Направпение<111> э в кремнии соответствует его наибопьшей чувствитепьности к деформации. Коэффициент тензочувствитепьности при этом достигает 100 и. более. Монокристаппические игпы. и нити кремния вырашивают методом газотранспортных реакций в закрытой ампупе ипи проточной сис"теме. Эти методы позвопяют попучать монокристаппы кремния нужных диаметров, дпины и формы, B также в массовом количестве и с идентичными характеристиками. Монокристаппы кремния, получен.
mme такими методами, имеют в сечении форму правипьного шестигранника. ОбычВо монокристаппы вырастают бесдиспокационными и с высоким совершенством структуры объема и поверхности, поэтому не требуют дополнительной механической ипи другой обработки.
Дпя изготовления термочувствитепьного эпемента можно исцопьзовать методы, например из крупных монокристадпов кремния, применяя существуюшую технологию (ориентация образца, выпипивание, травпение и т. ц.). Однако такая технология явпяется бопее спожной и бопее труцоемкой. Кроме того, пает худшие резупьтаты, так как при выпипивании сушественно нарушаетея совершенство структуры как объема, так и на поверхности монокристапца попупроводника, что приводит к ухудшению стабипьности свойств и сужает температурный циацазон использования.
Омические точечные контакты 2 и 3 с токовыми выводами и монокристаппу кремния дпя включения в эпектрическую цепь могут быть изготовпены точечной сваркой ипи другими известными метода
3 1052 .ми. Точечные контакты и малая масса токовых выводов позволяют уменьшить теппоемкость, а следовательно. н: =и;;— вую инерцию датчика температуры.
На поверхность монокристапла попупроводника 1 нанесено диэлектрическое покрытие 4, выполненное из материала, температурный коэффиэнент линейного расширения которого с(q больше по величине температурного коэффициента пи- 10 нейного расширения с о попупроводника, и защищающее чувствительный элемент . датчика от воздействия агрессивной средь> °
При изменении температуры на аТ 15
Т "Т сопротивление термочувствительного элемента изменяется как за счет температурной чувствительности попупроводника на величину.
BR<= oLR ДТ, (2), где Ы - температурный коэффициент сопротивления нитевидного кристалла попупроводника;
Я вЂ” сопротивление термочувстви» 25 тельного элемента при термературе То, так и эа счет : тенэорезистивного эффекта, обусловленного разностью темпе ратурных коэффициентов линейного расши« 30 рения покрытия о 1 и нитевидного кристалла @ о на величину.6 = С{Т) (Ы,- оС„) Т Р К(Т), {3) где K(7) - коэффициент тенэочувствитепь- 35 ности нитевидного кристапла зависящий от температуры.
При 270 и Ы -do >О оба изменения сопрвтивления монокристалпа попупроводника от изменения темпаратуры Ь R и 40
1 деформации h R2 совпадают по знаку и складываются, что и приводит к увеличению чувствительности датчика температуры в несколько p&B.
Более того, деформация монокристап- 45 ла обусловленная разностью температурного коэффициента личейного расширения попупроводника и покрытия, неравномерна по его длине, минимальна на его TopIIBK и по мере удаления от них возрастает. gp
Ъ на РасстоЯнии < = (т) от тоРцов и«о887 4 кристалла деформапия попупроводника достигает максимальной величины и при дальнейшем его увеличении остается поо тои иой. Это означает, что распопожеьные вблизи торцов .монокристаппа слабо» деформированные участки полупроводника апиной < вносят малый вклад в изме пение сопротивления за счет тензореэиотивного эффекта и их можно исключить
Э раслопожив омические контакты íà рао стоянии О относительно середины мо нокристаппа, определяемом из (1).
Это приведет к увеличению относи тельного изменения сопротивления (бФ„ +
+д R ) / R< монокристаппа попупроводника, т. е, допопнитепьному повышению чувст витепьности датчика температуры, на
25- 30%.
Коэффициент, учитывающий влияние краевого эффекта, равен 15, и опре» целен экспериментально. Установлено
1 что при Ъ ъ 15 чувствительность датчика температуры практически остает ся постоянной. При уменьшении Ъ С 15 уменьшается и чувствительность датчика температуры и тем больllle уменьшается, чем меньше Ъ . При >- 0, т. е. гог- да контакты изготовлены к торцам моно кристалла попупроводника, чувствитель ности датчика температуры минимальна.
Предлагаемый цатчик температуры имеет удобные геометрические размеры и форму, простую технологию иэготовпе ния. Высокое совершенство структуры монокристаппов кремния нитевидной или игольчатой формы обеспечивает ему высокие механические характеристики, надежность и стабильность свойств. Малые габариты (база 2-5 мм, ширина грани 20-40 мкм) и малый вес упуч шают динамические и метрологические характеристики датчика температуры, Тепловая инерция, датчика температуры равна (1-3) ° 10 с. матч ик температуры на бездислокапиониых моиокристалл пах кремния можно использовать в широком диапазоне температур. Это связано с тем, что в совершенной решетке кремния зарождение дислокаций при малых напряжениях, каким подвергается датчик температуры, IlpoHcxoQHT npu температурах выше 800 К. фур g
ВНИИПИ Заказ 8846/36
Тираж 873 Подписное
Филиал ППП Патент", r. Ужоopoa,yn. Проектная, 4
