eng
Выпуск #5/2006
В.Громов.
Многофункциональный датчик для электронных систем сбора данных
Многофункциональный датчик для электронных систем сбора данных
Просмотры: 3486
Измерение различных физических величин требует от датчиков в электронных системах сбора данных, включая измерительные системы и системы диагностирования, таких характеристик, как высокая чувствительность и линейность, точность, стабильность, низкий уровень шума, быстродействие и возможность синхронной многоканальной работы. Этим требованиям удовлетворяет предлагаемый кремниевый датчик на основе транзисторной структуры. Он позволяет измерять температуру, давление, освещенность, скорость потока газа и жидкости, перемещение и другие величины. Многофункциональность датчика обусловлена тем, что для всех измеряемых физических величин в нем используется один чувствительный параметр транзисторной структуры – "плавающий потенциал". Датчик сформирован в кремниевом кристалле размером 1,2ґ1,2ґ0,3 мм традиционными методами полупроводниковой технологии.
Обычно в электронных системах сбора данных измерительные сигналы поступают от множества удаленных и электрически изолированных датчиков. При этом сигналы от датчиков должны быть устойчивы к помехам, а сигнальные цепи помехозащищенными. Развязка потенциалов в электронных системах сбора данных между входом и выходом канала, а также между каналами системы обеспечивается конструкцией используемых в системе развязывающих усилителей [1]. При большом количестве датчиков применяется мультиплексорная адресация сбора данных, и мультиплексор устанавливается после развязывающих усилителей, которые обеспечивают его защиту от бросков напряжения со стороны входа системы.
Наиболее близки по структуре к системам сбора данных измерительные системы и системы диагностирования, для которых основным требованием является точность измерений. Используемые в этих системах датчики должны иметь следующие характеристики:
· высокую чувствительность, позволяющую обрабатывать сигналы с датчиков без предварительного усиления;
· линейность уравнения преобразования, обеспечивающую требуемый диапазон измеряемой величины и взаимозаменяемость датчиков конкретного функционального назначения;
· стабильность уравнения преобразования, обеспечивающую установленную чувствительность при различных условиях окружающей среды в течение заданного времени;
· технологичность, обеспечивающую высокую надежность;
· низкую стоимость.
Разработанный многофункциональный полупроводниковый датчик не только удовлетворяет основным требованиям при работе его в системах сбора данных, но и позволяет значительно упростить схемотехнические решения этих систем.
Физические основы работы преобразовательного элемента датчика
Предлагаемый датчик имеет преобразовательный элемент в виде транзисторной структуры. Как известно, основные области применения транзисторов достаточно полно характеризуются их ВАХ. В семействе выходных ВАХ, например p-n-p-транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис.1), можно выделить пять различных режимов работы (рис.2):
– активный режим, соответствующий значениям UКБ < 0;
IЭ > IК > 0 (область 1);
– режим насыщения, соответствующий значениям UКБ > 0; IЭ > IК > 0 (область 2);
– режим отсечки, соответствующий значениям UКБ < 0;
IКБ0 = IК >0 (область 3);
– режим умножения, соответствующий значениям UКБ < 0;
IЭ < IК >0 (область 4);
– режим прямых токов, соответствующий значениям UКБ > 0; IБ = IЭ + IК; IЭ > 0; IК < 0 (область 5).
Первые четыре режима широко используются в усилительных, генераторных, импульсных устройствах. Что же касается режима прямых токов через p-n-переходы, то свойства именно данной области оказались весьма перспективными для разработки многофункционального полупроводникового датчика. В схеме включения транзистора как преобразовательного элемента многофункционального датчика (см. рис.1) в качестве чувствительного параметра используется так называемый плавающий потенциал на коллекторе (UКБ) при условии подключения эмиттера к генератору постоянного тока. Плавающим потенциал UКБ назван в силу его зависимости от значения тока IЭ, протекающего через
p-n-переход эмиттер-база в прямом направлении.
Следует отметить, что область 5 имеет место только при включении транзисторов по схеме с общей базой. Для того чтобы режим работы транзистора соответствовал области 5, необходимо обеспечить условия, при которых ЕЭ >> EK, RЭ >> RK, |IЭ| > |IK|. Если считать ток IЭ=const, а при заданных условиях это именно так, то при IК=0 значение UКБ на ВАХ (см. рис.2) будет соответствовать точке 1, через которую проходит нагрузочная характеристика. Наклон нагрузочной характеристики определяется сопротивлением RК. Схема на рис.1 позволяет для данной нагрузки при любом значении IЭ установить нулевой коллекторный ток путем изменения ЕК, а при изменении UКБ от внешнего воздействия на преобразовательный элемент регулировать относительные приращения тока IК путем изменения RК. Поэтому на практике для регистрации изменений плавающего потенциала UКБ в данной схеме преобразовательного элемента датчика удобно использовать метод, основанный на измерении приращений тока IК.
Для обоснования использования схемы, показанной на рис.1, в качестве элемента многофункционального датчика рассмотрим механизм воздействия на UКБ таких основных внешних факторов, как температура, давление и освещенность.
Из общей теории p-n-перехода известно [2], что контактная разность потенциалов на кремниевом p-n-переходе зависит от температуры. Поскольку ее трудно определить с помощью электрических измерений, то для регистрации температурных изменений обычно используют легко измеряемый параметр – прямое падение напряжения на p-n-переходе (Up-n). Значение температурного коэффициента напряжения (ТКН) на переходе зависит, главным образом, от тока через переход (Ip-n) и определяется формулой
...
где F – постоянная, равная для маломощных транзисторов 2,3 мВ/°С; G – коэффициент, теоретически равный для диффузионного тока 0,198.
Опыт показывает [3], что для реальных диодов с ростом тока ТКН уменьшается сильнее, чем это следует из формулы (1). Более того, при некотором достаточно большом токе ТКН становится равным нулю и далее меняет знак, т.е. становится положительным. Такие отклонения от формулы объясняются увеличением сопротивления базы с ростом температуры. Это приводит не только к снижению чувствительности напряжения Up-n к изменению температуры, но и к сужению диапазона измеряемых температур. На практике применение кремниевого диода для измерения температуры позволяет обеспечить линейный характер преобразования Up-n = f(Т°С) не хуже ±1% при ТКН=1,5 мВ/°С в диапазоне от -20 до 50°С.
Для расширения диапазона измеряемых температур автор предлагает метод снижения влияния сопротивления базы за счет электрической модуляции базового слоя преобразовательного элемента датчика. Суть метода заключается в пропускании через переход эмиттер-база постоянного прямого тока IЭ, значение которого устанавливается достаточным для обеспечения в базе высокого уровня инжекции. При этом увеличивается концентрация носителей вблизи коллекторного перехода и, соответственно, повышается удельная проводимость базы в этой области, которая становится электрически модулированной. На коллекторе возникает плавающий потенциал UКБ, определяемый значением тока IЭ. Если к коллекторному выводу подключить источник питания с напряжением EK, смещающий переход коллектор-база в прямом направлении, и нагрузочный резистор RК, то в цепи коллектор-база потечет ток, равный:
...
где DUКБ – приращение потенциала на коллекторе при изменении температуры окружающей среды на DТ.
Как следует из условий работы транзисторной структуры (см. рис.1), ток IК намного меньше тока IЭ, поэтому напряжение на коллекторе UКБ можно считать потенциалом, на ТКН которого температурные изменения сопротивления базы почти не влияют благодаря электрической модуляции базовой области, а также малым изменениям тока IК (от 0 до десятков микроампер). Следовательно, напряжение UКБ имеет ТКН, который определяется формулой (1), и наиболее точно из всех известных в технике измерения температуры термочувствительных параметров полупроводниковой структуры с p-n-переходами отображает температурные изменения контактной разности потенциалов на p-n-переходе.
Действительно, далее рассмотренные экспериментальные данные показывают, что использование плавающего потенциала UКБ в качестве термочувствительного параметра позволяет обеспечить линейность характеристики преобразования в диапазоне измеряемых температур от -50 до 150°С не хуже ±1% и значение ТКН не менее 2 мВ/°С. Заметим, что включение транзисторной структуры в инверсном режиме не изменяет ее характеристик термопреобразователя, поскольку p-n-переходы остаются смещенными в прямом направлении, а плавающий потенциал при этом создается на эмиттере.
Влияние давления на UКБ аналогично действию температуры. Данные теории и экспериментов указывают на то, что прямое падение напряжения на p-n-переходе изменяется линейно от механического давления с коэффициентами
-5,0·10-11 В/Па и -1,5·10-11 В/Па, соответственно для германия и кремния, и определяется, в первую очередь, изменением размеров элементарной ячейки.
Механическое давление на полупроводниковый кристалл можно обеспечить различными способами. Например, с помощью жидкости (масляного пресса). В этом случае на кристалл будет воздействовать гидростатическое давление, значение которого в любой точке поверхности кристалла одинаково. Практика показывает, что прямое падение напряжения на p-n-переходе кремниевого транзистора изменяется от воздействия гидростатического давления линейно с коэффициентом -1,5·10-5 мВ/кПа. Механическое давление на полупроводниковый кристалл можно создать с помощью иглы (стальной, сапфировой, алмазной и т.д.). Результаты оценки влияния локального давления на изменение прямого падения напряжения на p-n-переходе кремниевого планарного транзистора показывают коэффициент, равный -5,0·10-5 мВ/кПА, что несколько больше, чем при воздействии гидростатического давления.
Чувствительность прямого падения напряжения на p-n-переходе к механическому давлению можно значительно повысить, создав транзисторную структуру на поверхности тонкой полупроводниковой пленки. В этом случае чувствительность повышается благодаря росту деформации полупроводниковой пленки при воздействии на нее механического давления. При формировании транзисторной структуры на поверхности кремниевой пластины толщиной 0,3 мм для создания элемента, чувствительного к давлению, со стороны коллектора селективным травлением удаляется материал пластины, оставляя под транзистором полость с тонким слоем толщиной 0,02 мм (мембраной). Полученная таким образом элементарная ячейка (мембрана) может использоваться в качестве элемента датчика давления с постоянным коэффициентом изменения UКБ от давления, равным 0,2 мВ/кПа.
Очевидно, что элемент датчика давления может также использоваться в качестве элемента датчика температуры, если защитить его от воздействия давления каким-либо экраном.
Для преобразования световых сигналов в электрические необходимо, чтобы транзисторная структура, сформированная на мембране в кремниевом кристалле, представляла собой выпускаемый промышленностью фототранзистор, включённый по схеме рис.1, но в инверсном режиме. Из уравнения ВАХ фототранзистора с прямосмещеннымиp-n-переходами [4] легко сделать вывод, что фототок прямо пропорционален освещенности при любых уровнях возбуждения. Этот вывод хорошо подтверждается на практике.
Таким образом, в качестве преобразовательного элемента многофункционального полупроводникового датчика выбран фототранзистор, сформированный на поверхности мембраны, которая изготовлена в кристалле кремния. Фототранзистор, включенный по схеме рис.1, но в инверсном режиме, с прямосмещенными p-n-переходами имеет линейные характеристики преобразования температуры, давления и освещенности в электрические сигналы.
Электрическая схема датчика
Принципиальная электрическая схема многофункционального полупроводникового датчика приведена на рис.3. Если следовать обозначениям рис.1, то на рис.3 источник питания ЕК выполнен на транзисторе Т1, при этом сопротивление резистора R3 соответствует внутреннему сопротивлению источника ЕК, а резистора RК – сопротивлению резистора R4. Генератор эмиттерного тока выполнен на транзисторе Т4.
Чувствительный элемент датчика создан на составном транзисторе (Т2, Т3), в котором Т3 – фототранзистор. Следует отметить, что подобный чувствительный элемент выпускается отечественной промышленностью в виде микросхемы типа 192ПП1. Поскольку чувствительный элемент датчика в схеме рис.3 включен с общей базой и работает в режиме прямых токов через переходы, то без ущерба для его функционирования можно поменять местами эмиттерный и коллекторный выводы. Поэтому включение составного транзистора (Т2, Т3) в качестве чувствительного элемента позволяет не только сохранить его функциональные характеристики, но и в несколько раз повысить чувствительность датчика, так как со стороны эмиттерного промежутка получено два последовательно соединенных p-n-перехода. И, наконец, в схему датчика введен нагревательный элемент D2, назначение которого будет показано ниже. Отметим важную особенность схемы датчика – она не содержит усилительных элементов, что не только упрощает схему, но и повышает стабильность ее работы и стойкость к внешним воздействующим факторам.
Результаты практической реализации схемы датчика
Преобразование температуры в электрический сигнал
Напряжение питания датчика подается на выводы 1 и 2. При изменении температуры окружающей среды в схеме датчика изменяются два напряжения – Uвых1 и Uвых2. Выходное напряжение Uвых1, снимаемое с выводов 3 и 4, имеет дифференциальный характер и предназначено для измерения абсолютного значения температуры с применением АЦП типа КР572ПВ2А, КР572ПВ5А и др. При использовании датчика совместно с электронными устройствами, для которых важно, чтобы обрабатываемый ими сигнал поступал к ним на вход относительно шины, являющейся общей как для датчика, так и для данных устройств, необходимо применять относительное выходное напряжение датчика Uвых2 (выводы 4 и 2). Типовая зависимость выходных напряжений датчика Uвых1 и Uвых2 от температуры окружающей среды представлена на рис.4, а характеристики датчика имеют следующий вид:
Диапазон измеряемых температур -50…150°С
Напряжение питания датчика 8–27 В
ТКН (Uвых1) 4,1 мВ/°С
Нелинейность характеристики
преобразования в диапазоне
измеряемых температур не более 1%
Нелинейность Uвых1 в диапазоне
0…100°С относительно
значения Uвых1 при 100°С….. не более 0,1%
Начальное значение Uвых2
при (23±2)°С 1450 мВ
ТКН (Uвых2). 3,1 мВ/°С
Нелинейность Uвых2 в диапазоне
0…100°С относительно значения
Uвых2 при +100°С не более 0,25
Чувствительность Uвых1 к изменению
напряжения питания не более 0,1 мВ/В
Чувствительность Uвых2 к изменению
напряжения питания не более 1,0 мВ/В
Ток потребления датчика при
напряжении питания 12 В не более 1,0 мА
Долговременная стабильность 0,1%
Ближайший аналог предлагаемого прибора – датчик температуры типа LM3911 фирмы National Semiconductor, использующий в качестве термочувствительного параметра прямое напряжение на переходе эмиттер-база. Для сравнения приводим его параметры:
Диапазон измеряемых температур -25…85°С
Напряжение питания 7–36 В
Нелинейность не более 1,0%
Чувствительность (при усилении
встроенного усилителя 100) 10,0 мВ/°С
Ток потребления не более 10,0 мА
Долговременная стабильность 0,3%
Формирование опорного напряжения
Для обеспечения высокостабильного начального уровня отсчета результатов измерений в схеме датчика используется источник опорного напряжения. Для этого к выводам 3 и 4 схемы на рис.3 подключается резистор R8, равный по сопротивлению резистору R4, и при заданном напряжении питания с помощью R8 устанавливается выходное напряжение опорного источника между выводами 2 и 3, равное 1520 мВ при температуре (23±2)°С. При этом ТКН для Uвых1 будет практически равен нулю (не более 10 мкВ/°С). Источник опорного напряжения, выполненный согласно схеме рис.3, имеет следующие характеристики:
Начальное значение напряжения
опорного источника 1520 мВ
Рабочий диапазон температуры
окружающей среды… -10…55°С
Изменение начального напряжения
опорного источника при напряжении
питания 12 В на каждые 10°С… не более
0,1 мВ/10°С
Напряжение питания
опорного источника 8–27 В
Изменение начального напряжения
опорного источника от напряжения
питания на каждые 10 В не более
1,0 мВ/10 В
Для повышения на порядок стабильности выходного напряжения опорного источника при изменении напряжения питания можно подключить к выводам 4 и 5 резистор в 3,0 МОм.
Работа схемы датчика в режиме термоанемометра
Выше упоминался нагревательный элемент схемы датчика – диод D2, способный при пропускании через него электрического тока обеспечить косвенный подогрев датчика. Датчик температуры с косвенным подогревом (или термоанемометр) предназначен для измерения физических параметров потока газа и жидкости (скорости потока, расхода и т.д.). Для обеспечения косвенного подогрева необходимо соединить выводы 2 и 6 резистором RН, сопротивление которого определяется током нагревательного элемента.
Термоанемометр, выполненный в соответствии с рис.3, имеет следующие характеристики:
Рабочий диапазон тока нагревателя
(датчик выполнен в корпусе КТ-1-19) 0–40 мА
Чувствительность напряжения Uвых1
к изменению тока нагревателя 12,0 мВ/мА
Нелинейность Uвых1 в рабочем
диапазоне тока нагревателя
относительно значения Uвых1
при токе 40 мА не более 1,0%
Остальные параметры термоанемометра соответствуют данным датчика температуры.
Преобразование механического
давления в электрический сигнал
Для подтверждения работоспособности схемы датчика в качестве преобразователя механического давления в электрический сигнал экспериментальные образцы датчика устанавливались в металлический корпус при нормальных условиях окружающей среды. Это обеспечивало постоянное давление в объеме корпуса датчика, равное атмосферному. Поэтому при измерении фиксировалось манометрическое, или избыточное, давление.
Чувствительный элемент датчика давления выполнен на кремниевом кристалле площадью 3,0ґ3,0 мм. Мембрана занимает площадь 1,2ґ1,2 мм. Полость со стороны коллектора чувствительного элемента получена вытравливанием кремниевого кристалла толщиной 0,3 мм на глубину 0,28 мм. Кстати, верхний предел измерения давления определяется толщиной мембраны, которая может регулировать его в датчике. Гистерезис и зона нечувствительности в датчике много меньше, чем в выпускаемых промышленностью, и по величине так малы, что само их измерение представляет трудную задачу. Нелинейность, рассчитанная с большой точностью, остается стабильной и не изменяется от экземпляра к экземпляру. Серьезная проблема для всех выпускаемых промышленностью полупроводниковых датчиков давления – устранение погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды. В рассматриваемом датчике эта проблема решена благодаря установлению в схеме режима источника опорного напряжения.
Типовая зависимость Uвых1 датчика от изменения механического давления на мембрану представлена на рис.5. Чувствительность Uвых1 имеет значение 0,2 мВ/кПа, что значительно выше значений, указанных ранее для гидростатического и локального давления на кристалл кремния.
Характеристики датчика давления, выполненного согласно схеме рис.3, приведены в таблице, где для сравнения даны также параметры ближайшего аналога – кремниевого интегрального датчика давления типа КР100А фирмы Valvo с пьезорезистивным чувствительным элементом и с внутренней температурной компенсацией.
Сравнение характеристик многофункционального датчика и датчика КР100А
Преобразование освещенности
в электрический сигнал
Поскольку в качестве чувствительного элемента многофункционального датчика выбран составной фототранзистор, аналог которого выпускается отечественной промышленностью в виде микросхемы типа 192ПП1, то его оптоэлектрические характеристики во многом соответствуют промышленному аналогу.
Устранение погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды, в датчике освещенности решается установлением режима источника опорного напряжения. Типовая зависимость выходного напряжения Uвых1 датчика от освещенности при длине волны 0,55 мкм представлена на рис.6.
Особенности изготовления датчика
ИС датчика, соответствующая принципиальной схеме на рис.3, сформирована в кристалле кремния размером 1,2х1,2 мм и толщиной 0,3 мм. При разработке ИС были изготовлены шесть топологических чертежей для фотошаблонов.
Разработанный многофункциональный интегральный датчик относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС). При одной и той же электрической схеме функциональные особенности датчика определяются конструкцией, а для датчика давления наличием мембраны в полупроводниковом кристалле. Схематически отличительные особенности конструкции датчика, связанные с его функциональным назначением, показаны на рис.7.
Основные технические решения многофункционального полупроводникового датчика защищены патентами России [5, 6], а сам датчик по своим функциональным возможностям не имеет зарубежных аналогов.
Литература
1. Громов В.С., Кукса Ю.Н. Тепловая развязка потенциалов в системах сбора данных. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2003, №6.
2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1967.
3. Громов В.С., Зайцев Ю.В. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. – М.: Радио и связь, 1985.
4. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.: Физматгиз, 1963.
5. Пат. 2048028, Россия. Способ измерения и регистрации физических величин и устройство для его осуществления/ Громов В.С., 1995 г.
6. Пат. 2048029, Россия. Способ параметрической компенсации дестабилизирующих факторов при измерении и регистрации физических величин и устройство для его осуществления/ Громов В.С., 1995 г.
Наиболее близки по структуре к системам сбора данных измерительные системы и системы диагностирования, для которых основным требованием является точность измерений. Используемые в этих системах датчики должны иметь следующие характеристики:
· высокую чувствительность, позволяющую обрабатывать сигналы с датчиков без предварительного усиления;
· линейность уравнения преобразования, обеспечивающую требуемый диапазон измеряемой величины и взаимозаменяемость датчиков конкретного функционального назначения;
· стабильность уравнения преобразования, обеспечивающую установленную чувствительность при различных условиях окружающей среды в течение заданного времени;
· технологичность, обеспечивающую высокую надежность;
· низкую стоимость.
Разработанный многофункциональный полупроводниковый датчик не только удовлетворяет основным требованиям при работе его в системах сбора данных, но и позволяет значительно упростить схемотехнические решения этих систем.
Физические основы работы преобразовательного элемента датчика
Предлагаемый датчик имеет преобразовательный элемент в виде транзисторной структуры. Как известно, основные области применения транзисторов достаточно полно характеризуются их ВАХ. В семействе выходных ВАХ, например p-n-p-транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис.1), можно выделить пять различных режимов работы (рис.2):
– активный режим, соответствующий значениям UКБ < 0;
IЭ > IК > 0 (область 1);
– режим насыщения, соответствующий значениям UКБ > 0; IЭ > IК > 0 (область 2);
– режим отсечки, соответствующий значениям UКБ < 0;
IКБ0 = IК >0 (область 3);
– режим умножения, соответствующий значениям UКБ < 0;
IЭ < IК >0 (область 4);
– режим прямых токов, соответствующий значениям UКБ > 0; IБ = IЭ + IК; IЭ > 0; IК < 0 (область 5).
Первые четыре режима широко используются в усилительных, генераторных, импульсных устройствах. Что же касается режима прямых токов через p-n-переходы, то свойства именно данной области оказались весьма перспективными для разработки многофункционального полупроводникового датчика. В схеме включения транзистора как преобразовательного элемента многофункционального датчика (см. рис.1) в качестве чувствительного параметра используется так называемый плавающий потенциал на коллекторе (UКБ) при условии подключения эмиттера к генератору постоянного тока. Плавающим потенциал UКБ назван в силу его зависимости от значения тока IЭ, протекающего через
p-n-переход эмиттер-база в прямом направлении.
Следует отметить, что область 5 имеет место только при включении транзисторов по схеме с общей базой. Для того чтобы режим работы транзистора соответствовал области 5, необходимо обеспечить условия, при которых ЕЭ >> EK, RЭ >> RK, |IЭ| > |IK|. Если считать ток IЭ=const, а при заданных условиях это именно так, то при IК=0 значение UКБ на ВАХ (см. рис.2) будет соответствовать точке 1, через которую проходит нагрузочная характеристика. Наклон нагрузочной характеристики определяется сопротивлением RК. Схема на рис.1 позволяет для данной нагрузки при любом значении IЭ установить нулевой коллекторный ток путем изменения ЕК, а при изменении UКБ от внешнего воздействия на преобразовательный элемент регулировать относительные приращения тока IК путем изменения RК. Поэтому на практике для регистрации изменений плавающего потенциала UКБ в данной схеме преобразовательного элемента датчика удобно использовать метод, основанный на измерении приращений тока IК.
Для обоснования использования схемы, показанной на рис.1, в качестве элемента многофункционального датчика рассмотрим механизм воздействия на UКБ таких основных внешних факторов, как температура, давление и освещенность.
Из общей теории p-n-перехода известно [2], что контактная разность потенциалов на кремниевом p-n-переходе зависит от температуры. Поскольку ее трудно определить с помощью электрических измерений, то для регистрации температурных изменений обычно используют легко измеряемый параметр – прямое падение напряжения на p-n-переходе (Up-n). Значение температурного коэффициента напряжения (ТКН) на переходе зависит, главным образом, от тока через переход (Ip-n) и определяется формулой
...
где F – постоянная, равная для маломощных транзисторов 2,3 мВ/°С; G – коэффициент, теоретически равный для диффузионного тока 0,198.
Опыт показывает [3], что для реальных диодов с ростом тока ТКН уменьшается сильнее, чем это следует из формулы (1). Более того, при некотором достаточно большом токе ТКН становится равным нулю и далее меняет знак, т.е. становится положительным. Такие отклонения от формулы объясняются увеличением сопротивления базы с ростом температуры. Это приводит не только к снижению чувствительности напряжения Up-n к изменению температуры, но и к сужению диапазона измеряемых температур. На практике применение кремниевого диода для измерения температуры позволяет обеспечить линейный характер преобразования Up-n = f(Т°С) не хуже ±1% при ТКН=1,5 мВ/°С в диапазоне от -20 до 50°С.
Для расширения диапазона измеряемых температур автор предлагает метод снижения влияния сопротивления базы за счет электрической модуляции базового слоя преобразовательного элемента датчика. Суть метода заключается в пропускании через переход эмиттер-база постоянного прямого тока IЭ, значение которого устанавливается достаточным для обеспечения в базе высокого уровня инжекции. При этом увеличивается концентрация носителей вблизи коллекторного перехода и, соответственно, повышается удельная проводимость базы в этой области, которая становится электрически модулированной. На коллекторе возникает плавающий потенциал UКБ, определяемый значением тока IЭ. Если к коллекторному выводу подключить источник питания с напряжением EK, смещающий переход коллектор-база в прямом направлении, и нагрузочный резистор RК, то в цепи коллектор-база потечет ток, равный:
...
где DUКБ – приращение потенциала на коллекторе при изменении температуры окружающей среды на DТ.
Как следует из условий работы транзисторной структуры (см. рис.1), ток IК намного меньше тока IЭ, поэтому напряжение на коллекторе UКБ можно считать потенциалом, на ТКН которого температурные изменения сопротивления базы почти не влияют благодаря электрической модуляции базовой области, а также малым изменениям тока IК (от 0 до десятков микроампер). Следовательно, напряжение UКБ имеет ТКН, который определяется формулой (1), и наиболее точно из всех известных в технике измерения температуры термочувствительных параметров полупроводниковой структуры с p-n-переходами отображает температурные изменения контактной разности потенциалов на p-n-переходе.
Действительно, далее рассмотренные экспериментальные данные показывают, что использование плавающего потенциала UКБ в качестве термочувствительного параметра позволяет обеспечить линейность характеристики преобразования в диапазоне измеряемых температур от -50 до 150°С не хуже ±1% и значение ТКН не менее 2 мВ/°С. Заметим, что включение транзисторной структуры в инверсном режиме не изменяет ее характеристик термопреобразователя, поскольку p-n-переходы остаются смещенными в прямом направлении, а плавающий потенциал при этом создается на эмиттере.
Влияние давления на UКБ аналогично действию температуры. Данные теории и экспериментов указывают на то, что прямое падение напряжения на p-n-переходе изменяется линейно от механического давления с коэффициентами
-5,0·10-11 В/Па и -1,5·10-11 В/Па, соответственно для германия и кремния, и определяется, в первую очередь, изменением размеров элементарной ячейки.
Механическое давление на полупроводниковый кристалл можно обеспечить различными способами. Например, с помощью жидкости (масляного пресса). В этом случае на кристалл будет воздействовать гидростатическое давление, значение которого в любой точке поверхности кристалла одинаково. Практика показывает, что прямое падение напряжения на p-n-переходе кремниевого транзистора изменяется от воздействия гидростатического давления линейно с коэффициентом -1,5·10-5 мВ/кПа. Механическое давление на полупроводниковый кристалл можно создать с помощью иглы (стальной, сапфировой, алмазной и т.д.). Результаты оценки влияния локального давления на изменение прямого падения напряжения на p-n-переходе кремниевого планарного транзистора показывают коэффициент, равный -5,0·10-5 мВ/кПА, что несколько больше, чем при воздействии гидростатического давления.
Чувствительность прямого падения напряжения на p-n-переходе к механическому давлению можно значительно повысить, создав транзисторную структуру на поверхности тонкой полупроводниковой пленки. В этом случае чувствительность повышается благодаря росту деформации полупроводниковой пленки при воздействии на нее механического давления. При формировании транзисторной структуры на поверхности кремниевой пластины толщиной 0,3 мм для создания элемента, чувствительного к давлению, со стороны коллектора селективным травлением удаляется материал пластины, оставляя под транзистором полость с тонким слоем толщиной 0,02 мм (мембраной). Полученная таким образом элементарная ячейка (мембрана) может использоваться в качестве элемента датчика давления с постоянным коэффициентом изменения UКБ от давления, равным 0,2 мВ/кПа.
Очевидно, что элемент датчика давления может также использоваться в качестве элемента датчика температуры, если защитить его от воздействия давления каким-либо экраном.
Для преобразования световых сигналов в электрические необходимо, чтобы транзисторная структура, сформированная на мембране в кремниевом кристалле, представляла собой выпускаемый промышленностью фототранзистор, включённый по схеме рис.1, но в инверсном режиме. Из уравнения ВАХ фототранзистора с прямосмещеннымиp-n-переходами [4] легко сделать вывод, что фототок прямо пропорционален освещенности при любых уровнях возбуждения. Этот вывод хорошо подтверждается на практике.
Таким образом, в качестве преобразовательного элемента многофункционального полупроводникового датчика выбран фототранзистор, сформированный на поверхности мембраны, которая изготовлена в кристалле кремния. Фототранзистор, включенный по схеме рис.1, но в инверсном режиме, с прямосмещенными p-n-переходами имеет линейные характеристики преобразования температуры, давления и освещенности в электрические сигналы.
Электрическая схема датчика
Принципиальная электрическая схема многофункционального полупроводникового датчика приведена на рис.3. Если следовать обозначениям рис.1, то на рис.3 источник питания ЕК выполнен на транзисторе Т1, при этом сопротивление резистора R3 соответствует внутреннему сопротивлению источника ЕК, а резистора RК – сопротивлению резистора R4. Генератор эмиттерного тока выполнен на транзисторе Т4.
Чувствительный элемент датчика создан на составном транзисторе (Т2, Т3), в котором Т3 – фототранзистор. Следует отметить, что подобный чувствительный элемент выпускается отечественной промышленностью в виде микросхемы типа 192ПП1. Поскольку чувствительный элемент датчика в схеме рис.3 включен с общей базой и работает в режиме прямых токов через переходы, то без ущерба для его функционирования можно поменять местами эмиттерный и коллекторный выводы. Поэтому включение составного транзистора (Т2, Т3) в качестве чувствительного элемента позволяет не только сохранить его функциональные характеристики, но и в несколько раз повысить чувствительность датчика, так как со стороны эмиттерного промежутка получено два последовательно соединенных p-n-перехода. И, наконец, в схему датчика введен нагревательный элемент D2, назначение которого будет показано ниже. Отметим важную особенность схемы датчика – она не содержит усилительных элементов, что не только упрощает схему, но и повышает стабильность ее работы и стойкость к внешним воздействующим факторам.
Результаты практической реализации схемы датчика
Преобразование температуры в электрический сигнал
Напряжение питания датчика подается на выводы 1 и 2. При изменении температуры окружающей среды в схеме датчика изменяются два напряжения – Uвых1 и Uвых2. Выходное напряжение Uвых1, снимаемое с выводов 3 и 4, имеет дифференциальный характер и предназначено для измерения абсолютного значения температуры с применением АЦП типа КР572ПВ2А, КР572ПВ5А и др. При использовании датчика совместно с электронными устройствами, для которых важно, чтобы обрабатываемый ими сигнал поступал к ним на вход относительно шины, являющейся общей как для датчика, так и для данных устройств, необходимо применять относительное выходное напряжение датчика Uвых2 (выводы 4 и 2). Типовая зависимость выходных напряжений датчика Uвых1 и Uвых2 от температуры окружающей среды представлена на рис.4, а характеристики датчика имеют следующий вид:
Диапазон измеряемых температур -50…150°С
Напряжение питания датчика 8–27 В
ТКН (Uвых1) 4,1 мВ/°С
Нелинейность характеристики
преобразования в диапазоне
измеряемых температур не более 1%
Нелинейность Uвых1 в диапазоне
0…100°С относительно
значения Uвых1 при 100°С….. не более 0,1%
Начальное значение Uвых2
при (23±2)°С 1450 мВ
ТКН (Uвых2). 3,1 мВ/°С
Нелинейность Uвых2 в диапазоне
0…100°С относительно значения
Uвых2 при +100°С не более 0,25
Чувствительность Uвых1 к изменению
напряжения питания не более 0,1 мВ/В
Чувствительность Uвых2 к изменению
напряжения питания не более 1,0 мВ/В
Ток потребления датчика при
напряжении питания 12 В не более 1,0 мА
Долговременная стабильность 0,1%
Ближайший аналог предлагаемого прибора – датчик температуры типа LM3911 фирмы National Semiconductor, использующий в качестве термочувствительного параметра прямое напряжение на переходе эмиттер-база. Для сравнения приводим его параметры:
Диапазон измеряемых температур -25…85°С
Напряжение питания 7–36 В
Нелинейность не более 1,0%
Чувствительность (при усилении
встроенного усилителя 100) 10,0 мВ/°С
Ток потребления не более 10,0 мА
Долговременная стабильность 0,3%
Формирование опорного напряжения
Для обеспечения высокостабильного начального уровня отсчета результатов измерений в схеме датчика используется источник опорного напряжения. Для этого к выводам 3 и 4 схемы на рис.3 подключается резистор R8, равный по сопротивлению резистору R4, и при заданном напряжении питания с помощью R8 устанавливается выходное напряжение опорного источника между выводами 2 и 3, равное 1520 мВ при температуре (23±2)°С. При этом ТКН для Uвых1 будет практически равен нулю (не более 10 мкВ/°С). Источник опорного напряжения, выполненный согласно схеме рис.3, имеет следующие характеристики:
Начальное значение напряжения
опорного источника 1520 мВ
Рабочий диапазон температуры
окружающей среды… -10…55°С
Изменение начального напряжения
опорного источника при напряжении
питания 12 В на каждые 10°С… не более
0,1 мВ/10°С
Напряжение питания
опорного источника 8–27 В
Изменение начального напряжения
опорного источника от напряжения
питания на каждые 10 В не более
1,0 мВ/10 В
Для повышения на порядок стабильности выходного напряжения опорного источника при изменении напряжения питания можно подключить к выводам 4 и 5 резистор в 3,0 МОм.
Работа схемы датчика в режиме термоанемометра
Выше упоминался нагревательный элемент схемы датчика – диод D2, способный при пропускании через него электрического тока обеспечить косвенный подогрев датчика. Датчик температуры с косвенным подогревом (или термоанемометр) предназначен для измерения физических параметров потока газа и жидкости (скорости потока, расхода и т.д.). Для обеспечения косвенного подогрева необходимо соединить выводы 2 и 6 резистором RН, сопротивление которого определяется током нагревательного элемента.
Термоанемометр, выполненный в соответствии с рис.3, имеет следующие характеристики:
Рабочий диапазон тока нагревателя
(датчик выполнен в корпусе КТ-1-19) 0–40 мА
Чувствительность напряжения Uвых1
к изменению тока нагревателя 12,0 мВ/мА
Нелинейность Uвых1 в рабочем
диапазоне тока нагревателя
относительно значения Uвых1
при токе 40 мА не более 1,0%
Остальные параметры термоанемометра соответствуют данным датчика температуры.
Преобразование механического
давления в электрический сигнал
Для подтверждения работоспособности схемы датчика в качестве преобразователя механического давления в электрический сигнал экспериментальные образцы датчика устанавливались в металлический корпус при нормальных условиях окружающей среды. Это обеспечивало постоянное давление в объеме корпуса датчика, равное атмосферному. Поэтому при измерении фиксировалось манометрическое, или избыточное, давление.
Чувствительный элемент датчика давления выполнен на кремниевом кристалле площадью 3,0ґ3,0 мм. Мембрана занимает площадь 1,2ґ1,2 мм. Полость со стороны коллектора чувствительного элемента получена вытравливанием кремниевого кристалла толщиной 0,3 мм на глубину 0,28 мм. Кстати, верхний предел измерения давления определяется толщиной мембраны, которая может регулировать его в датчике. Гистерезис и зона нечувствительности в датчике много меньше, чем в выпускаемых промышленностью, и по величине так малы, что само их измерение представляет трудную задачу. Нелинейность, рассчитанная с большой точностью, остается стабильной и не изменяется от экземпляра к экземпляру. Серьезная проблема для всех выпускаемых промышленностью полупроводниковых датчиков давления – устранение погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды. В рассматриваемом датчике эта проблема решена благодаря установлению в схеме режима источника опорного напряжения.
Типовая зависимость Uвых1 датчика от изменения механического давления на мембрану представлена на рис.5. Чувствительность Uвых1 имеет значение 0,2 мВ/кПа, что значительно выше значений, указанных ранее для гидростатического и локального давления на кристалл кремния.
Характеристики датчика давления, выполненного согласно схеме рис.3, приведены в таблице, где для сравнения даны также параметры ближайшего аналога – кремниевого интегрального датчика давления типа КР100А фирмы Valvo с пьезорезистивным чувствительным элементом и с внутренней температурной компенсацией.
Сравнение характеристик многофункционального датчика и датчика КР100А
Преобразование освещенности
в электрический сигнал
Поскольку в качестве чувствительного элемента многофункционального датчика выбран составной фототранзистор, аналог которого выпускается отечественной промышленностью в виде микросхемы типа 192ПП1, то его оптоэлектрические характеристики во многом соответствуют промышленному аналогу.
Устранение погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды, в датчике освещенности решается установлением режима источника опорного напряжения. Типовая зависимость выходного напряжения Uвых1 датчика от освещенности при длине волны 0,55 мкм представлена на рис.6.
Особенности изготовления датчика
ИС датчика, соответствующая принципиальной схеме на рис.3, сформирована в кристалле кремния размером 1,2х1,2 мм и толщиной 0,3 мм. При разработке ИС были изготовлены шесть топологических чертежей для фотошаблонов.
Разработанный многофункциональный интегральный датчик относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС). При одной и той же электрической схеме функциональные особенности датчика определяются конструкцией, а для датчика давления наличием мембраны в полупроводниковом кристалле. Схематически отличительные особенности конструкции датчика, связанные с его функциональным назначением, показаны на рис.7.
Основные технические решения многофункционального полупроводникового датчика защищены патентами России [5, 6], а сам датчик по своим функциональным возможностям не имеет зарубежных аналогов.
Литература
1. Громов В.С., Кукса Ю.Н. Тепловая развязка потенциалов в системах сбора данных. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2003, №6.
2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1967.
3. Громов В.С., Зайцев Ю.В. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. – М.: Радио и связь, 1985.
4. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.: Физматгиз, 1963.
5. Пат. 2048028, Россия. Способ измерения и регистрации физических величин и устройство для его осуществления/ Громов В.С., 1995 г.
6. Пат. 2048029, Россия. Способ параметрической компенсации дестабилизирующих факторов при измерении и регистрации физических величин и устройство для его осуществления/ Громов В.С., 1995 г.
Отзывы читателей
