МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ГОТРА ОЛЕКСАНДРА ЗЕНОНІВНА

УДК 621.316.825

СЕНСОРИ ТЕМПЕРАТУРИ НА ОСНОВІ ІНТЕГРАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА ОПТИКИ

05.11.04  прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Стадник Богдан Іванович,

Національний університет “Львівська

політехніка”, м.Львів, завідувач кафедри “Інформаційно-вимірювальна техніка”.

Офіційні опоненти: член кореспондент Російської Академії наук, доктор технічних наук, професор

Федик Іван Іванович,

директор НВО “Луч”, м.Москва;

доктор технічних наук, професор

Столярчук Петро Гаврилович,

Національний університет “Львівська

політехніка”, м.Львів, завідувач кафедри метрології, стандартизації та сертифікації;

доктор технічних наук, професор

Грищенко Тетяна Георгіївна,

Інститут теплофізики Національної Академії наук України, м.Київ, завідувач відділом теплових вимірювань.

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем (ДНДІ “Система”), м.Львів, науково-дослідний відділ розробки теоретичних та науково-методичних засад метрологічного забезпечення вимірювально-інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами.

Захист дисертації відбудеться “11” жовтня 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” ( 79013, Львів-13, вул..С.Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м.Львів-13, вул..Професорська, 1).

Автореферат розісланий “10”вересня 2002 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Практично всі явища, які оточують людину прямо чи опосередковано пов'язані з температурою, її вимірюванням. Традиційно контроль температури здійснюється вимірювальними засобами на основі термопар, терморезисторів, оптичних пірометрів, термоіндикаторів та інших. До сьогоднішнього дня не існує вимірювальних засобів для контролю температури, які були б універсальними та задовольняли всі сучасні вимоги. Поряд з класичними вимірювальними засобами йде інтенсивний пошук нових засобів та методів контролю температури, які базуються на останніх досягненнях інтегральної електроніки та оптики та використовують новітні результати фундаментальних д осліджень фізики твердого тіла, напівпровідників, матеріалознавства, активних оптичних матеріалів, а також сучасної технології мікроелектроніки. В даний час утверджується термін сенсор температури, в зміст якого вкладають поєднання первинного та вторинного перетворювачів, в якому поряд з поєднанням опрацювання сигналів первинного та вторинного перетворювачів в єдиній структурі є можливість врахування впливу зовнішніх факторів, самокалібрування. Сучасний розвиток науки, техніки, медицини вимагає створення сенсорів не лише для широкого температурного діапазону, а також для вузького - від декількох градусів та більше в інтервалі –50...+1200С. Інтегральна електроніка є одним з напрямків створення таких сенсорів, а саме, однокристальних напівпровідникових інтегральних схем - термосенсорних ІС. При цьому питання їх точності, забезпечення заданого температурного діапазону вимірювання, принципи їх побудови недостатньо вивчені. Іншим напрямком розвитку таких сенсорів температури є інтегральна оптика, а саме світловодні сенсори на основі волоконно-оптичних елементів, які вже знаходять використання завдяки можливості роботи у різних середовищах і екстремальних умовах, але при цьому обробка вимірювального оптичного сигналу є складною. Перспективним напрямком в термометрії на основі інтегральної оптики є також сенсори температури, які використовують електрооптичні ефекти в рідких кристалах. Однак незважаючи на певні досягнення в області їх практичного застосування для вимірювання та контролю температури, залишаються недостатньо вивчені їх електрооптичні параметри для створення стабільних термозалежних рідкокристалічних матеріалів та нових структур на їх основі для різних діапазонів вимірювання температури. При цьому використання рідкокристалічних матеріалів у вимірювальних структурах сумісно з волоконно-оптичними елементами дозволяє створювати принципово нові сенсори температури, в яких використовують температурні залежності параметрів світлового потоку, що забезпечує переваги інтегральної оптики. Тому дослідження і розробка сенсорів температури на основі інтегральної електроніки та оптики є актуальною задачею, рішення якої необхідне для прискорення науково-технічного прогресу в усіх напрямках науки, техніки, медицини, екології та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з держбюджетним договором на виконання науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за фаховим напрямком "Метрологія і приладобудування", затвердженим наказом Міністерства освіти і науки України (ДБ РЕТНІ (Інтелектуалізована вимірювальна система) №0198U007858 державної реєстрації, ДБ Інтелект (Створення наукових основ проектування вимірювальних систем обліку витрат енергоносіїв з елементами штучного інтелекту) №0101U000876 державної реєстрації), а також з тематичними планами проведення НДДКР в Національному університеті "Львівська політехніка".

Мета й задачі дослідження. Метою досліджень є становлення та розвиток нового наукового напрямку в термометрії - сенсорів температури на основі інтегральної електроніки та оптики, а саме розвиток теорії та практики обробки вимірюваного сигналу в: однокристальних напівпровідникових термосенсорних інтегральних схемах, рідких кристалах, волоконно-оптичних елементах. У відповідності з поставленою метою ставились і вирішувались такі задачі:

1. Аналіз сучасного стану мікроелектронних сенсорів температури з метою вибору пріоритетних напрямків розробки нових структур, конструкцій на основі інтегральної електроніки та оптики.

2. Дослідження схемотехнічних, конструктивних рішень, моделювання процесів та розробка нових структур однокристальних термосенсорних інтегральних схем. Вивчення взаємозв'язку їх характеристик зі структурно-конструктивними параметрами. Експериментальне підтвердження теоретичних опрацювань.

3. Розробка елементів теорії термодинамічних та кінетичних властивостей напівпровідникових матеріалів для термометрії. Вивчення можливостей модифікації існуючих та створення нових термочутливих матеріалів з високою стабільністю та лінійністю функції перетворення, розширення функціональних можливостей матеріалів та структур на основі інтегральної електроніки. Розробка термосенсорних пристроїв на основі термозалежних тонкоплівкових елементів.

4. Дослідження електрооптичних властивостей рідкокристалічних матеріалів для термометрії. Вивчення впливу конструктивно-технологічних факторів на електрооптичні параметри термосенсорних пристроїв на основі термо- та електрооптичних ефектів у рідких кристалах. Математичне моделювання електрооптичних процесів у рідкокристалічних пристроях. Створення нових рідкокристалічних структур для використання їх в термометрії.

5. Створення та дослідження нових сенсорів температури на основі систем інтегральної оптики: волоконно-оптичний елемент – оптично активний матеріал (рідкий кристал), в основу яких покладено зміну параметрів оптичного сигналу при зміні температури.

6. Розробка нових засобів представлення аналогової інформації мікроелектронних термосенсорів. Створення нових структур рідкокристалічних індикаторів з широкою гамою елементів індикації (риска, стовпець, два стовпці та інші) з лінійною, логарифмічною та іншою шкалою відліку.

Об'єкт дослідження – вимірювальні пристрої температури на основі елементів та пристроїв інтегральної електроніки та оптики: однокристальні напівпровідникові термосенсорні інтегральні схеми, рідкокристалічні та волоконно-оптичних елементи сенсорів температури.

Предмет дослідження – схеми первинного та вторинного перетворювачів напівпровідникових термосенсорних ІС, температурна залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів транзисторних структур та резистивних елементів термосенсорних ІС, тонкоплівкові сенсори та структури для вимірювання температури і теплового потоку, електрооптичні та термооптичні параметри рідкокристалічних матеріалів (немато-холестеричних сумішей на основі ціанобіфенілів та азоксисполук, сумішей на основі холестерилпеларгонату і холестерилхлориду), рідкокристалічні та волоконно-оптичні сенсори і пов'язані з ними точність, чутливість, інерційність, діапазон вимірюваних температур.

Методи дослідження. Методологічною основою дисертаційної роботи є системний підхід. Теоретичні узагальнення та створення математичних моделей розроблених електричних схем термосенсорних інтегральних схем, рідкокристалічних пристроїв та сенсорів на основі тонких плівок, лазерні методи дослідження орієнтації та параметрів термочутливих структур, еліпсометричний метод вимірювання конструктивних розмірів, малокутове рентгенівське розсіювання, теоретичні та технологічні основи напівпровідникової електроніки, класичні методи дослідження в мікроелектронній технології, сучасні методи і засоби контролю параметрів оптичного сигналу, методи ППП”Spice” для дослідження характеристик термосенсорних ІС, методи розрахунку нерівноважної статистики електронного газу в кристалах для вибору терморезистивних матеріалів для сенсорних пристроїв. Основні теоретичні розробки підтверджувались результатами модельного експерименту та перевірялись експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримані та сформульовані такі нові наукові результати:

1. Розвинута теорія побудови однокристальних термосенсорних інтегральних схем у вузькому температурному діапазоні шириною від ±1оС і більше в інтервалі …+120оС (термосенсорних ІС з відліком відносної температури). Виявлено механізм виникнення від'ємної диференційної провідності в первинних перетворювачах напівпровідникових термосенсорних ІС, зумовлений різною глибиною модуляції вхідної ВАХ транзисторів розроблених нових структур перетворювачів. Даний механізм забезпечує гранично високий коефіцієнт стабілізації вихідного сигналу розроблених перетворювачів при зміні напруги живлення, що є основою створення нових напівпровідникових термосенсорних ІС.

2. Теоретично обґрунтовано та практично розроблено математичні засоби, для визначення оптимального співвідношення електрофізичних параметрів елементної бази розробленого перетворювача, що забезпечує високу стабільність сигналу (при зміні напруги живлення низьковольтних інтегральних схем на ±20% нестабільність сигналу не перевищує 0,01…0,05%).

3. Удосконалена математична модель, що описує температурну залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів транзисторних структур та резистивних елементів термосенсорних ІС; показано необхідність введення в модель Гумеля-Пуна допоміжного коефіцієнта корекції температурної характеристики p-n-переходу, який дозволяє коректно описувати температурну залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів при зміні коефіцієнта неідеальності p-n-переходу.

4. Вперше встановлено, що живлення p-n-переходу температурнозалежним струмом зменшує на 10…20% нелінійність вихідного сигналу первинного перетворювача термосенсорних ІС, що забезпечує відповідне підвищення точності вимірювання температури.

5. За допомогою розроблених методів розрахунку нерівноважної статистики електронного газу в кристалах показана можливість визначення термодинамічних та кінетичних властивостей кристалів для створення термосенсорних матеріалів. Обґрунтований підхід до вибору терморезистивних матеріалів для сенсорних пристроїв. Запропоновано структури термокомпенсаційних тонкоплівкових розсуміщених резисторів, на основі яких розроблено нові вимірювачі температури, що забезпечують зменшення похибки в діапазоні -50...+1800С.

6. Виявлені закономірності модифікації рідкокристалічних матеріалів для термометрії. Показано, що визначальними параметрами немато-холестеричних сумішей на основі нематичних матриць (суміші сильнополярного ціанобіфенілу (5ЦБ) і слабополярних азоксисполук (ЖК-440) з малим (до 1,25 ваг.%) вмістом оптично активних речовин (холестерилкапронат, холестерилкаприлат, холестерилундецилат) з точки зору їх використання в сенсорах температури є вміст сильнополярної компоненти в нематичних матрицях, а також тип та концентрація оптично активної домішки.

7. Досліджено вплив характеристик поверхні, обмежуючої рідкий кристал, температури, конструктивних параметрів на характеристики рідкокристалічних пристроїв. Показана можливість побудови рідкокристалічних сенсорних пристроїв для контролю фіксованих значень температури на основі високохірального холестерика, в якому виявлено, що фазовий перехід супроводжується стрибком довжини хвилі селективного відбивання світла.

8. Теоретично та експериментально підтверджена можливість створення нового класу мікроелектронних сенсорів температури на основі систем: скловолокно - рідкий кристал, в яких зміна коефіцієнтів заломлення рідкого кристал а є чутливою до зміни температури, причому внесено зміну орієнтації рідкого кристалу електричним полем, а також оптична призма - рідкий кристал, в основ у роботи яких покладено температурну залежність селективності пропускання рідким кристалом спектру білого світла.

9. Розроблена математична модель аналогових індикаторів на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах. Показана можливість регулювання діапазону чутливості реєстрації в залежності від конструктивно-технологічних факторів: опору та його розподілу по довжині електродів та зовнішньої комутації, що забезпечує довільну гаму індикуючого знаку (у вигляді риски, стовпця, фронту) в термометрії.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

Створені нові термосенсорні ІС:

· з експоненціальною характеристикою перетворення, особливістю яких є гранично висока крутизна перетворення (10…20К), мінімальні структурні затрати та можливість нормального функціонування при низьких напругах живлення (від 2В);

· з квазілінійним відліком відносних температур, який базується на основі диференційного каскаду і має переваги при вимірюванні температури у вузькому (декілька градусів) температурному діапазоні з високою чутливістю (5…8 %К);

· з лінійним відліком відносних температур, які мають спільні сигнальні кола та кола живлення, що забезпечує мінімізацію енергоспоживання (одиниці міліват) та виводів (від 3-х виводів) ІС.

- Розроблені мікроелектронні сенсори температури систем: світловод - рідкий кристал, оптична призма - рідкий кристал.

- Розроблено ряд нових мікроелектронних пристроїв на основі плівкових терморезисторів, мостових схем з комбінацією двошарових плівкових резисторів.

- Для метрологічного забезпечення функціонування терморезистивних сенсорів розроблена багатозначна міра опору на основі імітаторів зразкових опорів. Для різних діапазонів імітації опору від 0,025кОм до 5 10кОм отримано номінальне значення вихідного струму в інтервалі 1...4мА при чутливості 0,0025...1Ом та абсолютній похибці 0,01...2Ом.

- Для представлення напруги, опору, струму з приведеною похибкою не вище 0,02% на границях 10мВ, 10Ом, 1мА і 0,01% з дискретністю відтворення напруги 1мкВ, опору 0,001Ом, струму 0,1мкА розроблена структурна та електрична схеми багатозначної міри для термосенсорних пристроїв.

Результати дослідження використані в науково-дослідному радіотехнічному інституті (м.Львів), Науково-дослідному інституті "Еротрон" (м.Львів), ОКБ “Рута” (м.Чернівці), ВАТ “Гравітон” (м.Чернівці), ВАТ "Термоприлад" (м.Львів), СКБ Мікроелектроніки в приладобудуванні (м.Львів) та науково-дослідних роботах кафедри інформаційно-вимірювальної техніки Національного університету "Львівська політехніка" та учбовому процесі Державного медичного університету ім.Данила Галицького та Національного університету "Львівська політехніка".

Особистий внесок здобувача полягає в розробці структур, конструкцій нових мікроелектронних сенсорів температури, постановці завдань досліджень та виборі методів їх вирішення, а також у інтерпретації та узагальненні наукових результатів, отриманих автором. Основні наукові результати оригінальні, захищені патентами України, надруковані провідними науковими журналами та в 5 монографіях і доповідались особисто автором на Міжнародних конференціях. У працях, виконаних разом з іншими співавторами, частка участі автора дисертаційної роботи рівноцінна частці інших авторів. У роботі узагальнені авторські результати досліджень, які проводились під час навчання в докторантурі на кафедрі інформаційно-вимірювальної техніки Національного університету “Львівська політехніка”, в рамках держбюджетної теми, а також на кафедрах електроніки Люблінського технічного університету (Польща), електронних пристроїв Жешівського університету (Польща), технології електронної техніки технічного університету м.Кошіце (Словаччина) в рамках міжнародної співпраці. Дослідження проводились також на кафедрах електронних приладів, напівпровідникової електроніки Національного університету “Львівська політехніка” та біофізики Львівського державного медичного університету ім.Д.Галицького.

Із основних публікацій, написаних у співавторстві і особисто, здобувачу належать: розробка універсальних перетворювачів біполярних інтегральних схем зі шкалою відносних температур[18,32], запропонований спосіб формування сигналу термосенсорних пристроїв на основі диференційного каскаду, аналіз роботи температурного перетворювача та його характеристик[23], дослідження і аналіз розроблених термосенсорних інтегральних схем з експоненціальною характеристикою перетворення[15], запропоновано алгоритм уточнення температурних моделей p-n переходів транзисторних структур, що використовуються як первинні перетворювачі термосенсорних інтегральних схем [14], розробка методів та відповідних математичних моделей оптимізації функціонування термосенсорних інтегральних схем [34], розробка і дослідження низьковольтних джерел опорної напруги для інтегральних стабілізаторів напруги та струму, сенсорних пристроїв, аналого-цифрових перетворювачів [25], теоретичне дослідження впливу магнітної індукції на значення та симетрію тензорів кінетичних властивостей кристалів [20], розрахунок термодинамічних та кінетичних властивостей кристалів з довільними законами дисперсії та довільними механізмами розсіювання носіїв заряду в омічній області провідності і в неквантуючому магнітному полі [24], обґрунтування вибору терморезистивних матеріалів для сенсорних пристроїв на основі сучасної кінетичної теорії [17], розробка та дослідження параметрів вимірювачів температури[40,41], розробка терморезистивного вимірювального перетворювача із застосуванням вимірювальної схеми зі стабілізатором струму, що забезпечує трипровідне під'єднання термоперетворювача опору [13], розробка плівкової термобатареї сенсора температури і теплового потоку, розробка пристрою для випаровування при застосуванні методу вибухового випаровування [16], розробка структури мікроелектронної багатозначної міри опору, напруги та струму [22], експериментальні дослідження активного імітатора опору [27], експериментальні дослідження немато-холестеричних сумішей на основі ціанобіфенілів та азоксисполук з різними оптично активними домішками для застосування їх в сенсорах температури [8,9,10,33], розробка селекторів мод з використанням рідкокристалічної комірки [36,37,38,39], розробка конструкції оптоелектронного сенсора [42], розробка конструкції волоконнооптичного сенсора[43], ідея застосування властивостей блакитних фаз у рідкокристалічному сенсорі температури, розробка сенсора [35,47], аналіз впливу поверхневих та об'ємних ефектів на крок спіралі холестеричних рідких кристалів, теоретичне обґрунтування необхідності низьких значень для створення якісної спіральної рідкокристалічної структури [11], запропоновано використання призми Воластона для автоматизації методу вимірювання товщини зазору у рідкокристалічних індикаторах [6], розрахунок зв'язку функції розподілу потенціалу в напівпровідниковому електроді з параметрами аналогового рідкокристалічного індикатора, отримане співвідношення, що пов'язує параметри індикатора з лінійною характеристикою перетворення [12], розробка конструкцій аналогових рідкокристалічних індикаторів [7,21,29,44,45,46,48], аналіз залежностей показів рідкокристалічного індикатора від прикладеної напруги [29], розробка конструкції аналогового рідкокристалічного індикатора, теоретичне обґрунтування вибору форми електродів [21], експериментальні дослідження світловодного телеметричного поєднувача для подачі оптичної енергії [26], експериментальні дослідження розподілу температур при спалюванні [19], розробка структур багатофункціональних рідкокристалічних сенсорів [28,30,31].

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на симпозіумах, конференціях: конференції ECLC 97. Наука і технологія, Польща, Закопане, 1997р.; 6-тій науковій конференції “Електронна технологія”, Польща, Криніца, 1997р.; 1-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Польща, Жешув, 1997р.; 21-шій конференції ISHM, Польща, Устронь, 1997р.; 6-му Міжнародному симпозіумі “Передові дисплейні технології”, Україна, Партеніт, 1997р.; 5-тій науковій конференції “Оптоелектронні і електронні сенсори”, Польща, Юрата, 1998р.; 22-гій конференції IMAPS, Польща, Закопане, 1998р.; 2-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Україна, Львів, 1998р; 3-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Словаччина, Кошіце, 1999р.; 23-тій конференції IMAPS, Польща, Кошалін-Колобжег, 1999р.; 7-мій конференції “Світловоди та їх застосування”, Польща, Красноброд, 1999р.; 4-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Німеччина, Цвікау, 2000р.; конференції “Оптоелектронні інформаційні технології”, Україна, Вінниця, 2000р.; 5-му Міжнародному симпозіумі з мікроелектронних технологій і мікросистем, Румунія, Пітешті, 2001р.; AMSE конференції з моделювання, Україна, Львів, 2001р.; 25-тій конференції IMAPS, Польща, Жешув-Полянчик, 2001р.

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 48 наукових працях, у тому числі в 5 монографіях, 27 статтях у фахових виданнях, 9 патентах на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку літератури зі 196 найменувань та додатку. Загальний обсяг роботи становить 345 сторінок, у тому числі 313 сторінок основного тексту, 179 рисунків, 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи з науковими планами, темами. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглядаються практична цінність та впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації.

У першому розділі проаналізовані принципи побудови та основні тенденції розвитку мікроелектронних сенсорів температури на основі інтегральної електроніки та оптики. Показано, що певні класи сенсорів температури розвинені недостатньо, а актуальність таких сенсорів є значною на сьогоднішній день. До таких класів сенсорів температури належать термосенсорні інтегральні схеми з відліком відносної температури, рідкокристалічні сенсори температури на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах, волоконно-оптичних елементів та їх комбінації, вимірювальні пристрої на основі термозалежних плівкових резисторів, які є предметом досліджень даної дисертаційної роботи. На основі аналізу тенденцій розвитку мікроелектронних сенсорів, зокрема термосенсорних інтегральних схем, рідкокристалічних та волоконно-оптичних сенсорів температури, в першому розділі визначені мета та задачі досліджень.

В основу проведених у другому розділі дисертаційної роботи досліджень покладено оригінальну схему вузла первинного перетворювача з відліком відносної температури, принцип роботи якого полягає у формуванні струму з лінійною залежністю від абсолютної температури та подальшому його перетворенні в диференційний сигнал, величина якого визначається шкалою відносної температури.

Основними складовими запропонованих у дисертаційній роботі перетворювачів термосенсорних ІС є: функціональний стабілізатор - формувач струму ІT на елементах Т1-Т4, RE, RZ, струмове дзеркало - подільник на Т5-Т7 та елементи формування відносної температуропровідної шкали D, RT, RL, R0. В залежності від вимог до параметрів вихідного сигналу перетворювач може мати модифікації, зокрема схеми, наведені на рис.1,а,б.

Прийнявши, що активна площа транзисторів Т1-Т3 та електрофізичні параметри їх структур взаємототожні, тобто тотожні їх струми насичення Іs1=Іs2=Іs3=Іs, а активна площа емітера Т4 в р разів більша, ніж у Т1-Т3, тобто Іs4=рІs, значення вихідного струму ІT функціонального стабілізатора визначається як:

,

де – температурний потенціал; m – коефіцієнт неідеальності емітерних p-n переходів транзисторів; k – стала Больцмана; q – заряд електрона; T – абсолютна температура; p – коефіцієнт масштабування; RE – резистор в емітерному колі стабілізатора.

Рис.1 Електричні схеми базового варіанту первинного перетворювача з відліком відносної температури

Таким чином, струм ІT в першому наближенні не залежить від напруги живлення та струму через резистор початкового зміщення RZ, тобто має місце стабілізація режиму живлення. Крім того, величина ІТ характеризується лінійною залежністю від абсолютної температури Т, а крутизна цієї залежності становить

.

Струмове “дзеркало” забезпечує перерозподіл струмів І(D) І(RТ) ІТ/2, що визначає вихідні напруги перетворювача:

,

де Is – струм насичення діода.

Температурні коефіцієнти цих напруг (ТКН) відповідно становлять:

де EG0 - ширина забороненої зони кремнію, величина якої приведена до температури абсолютного нуля EG0 =1,205B.

Аналіз показує, що температурний коефіцієнт напруги (ТКН) вихідної напруги UT+ є додатний і може задаватися співвідношенням між резисторами RT/RE, а ТКН напруги UT- - від'ємний і визначається різницею між шириною забороненої зони напівпровідника та падінням напруги на p-n-переході. Таким чином, для формування шкали відносних температур достатньо взаємно відняти ці напруги у певній пропорції.

В ході досліджень проведено детальний аналіз нестабільності вихідних сигналів вузла первинного перетворення, визначальними факторами якої є зміна струмів базових кіл та модуляція колекторною напругою вхідної характеристики транзисторів. Виявлено новий ефект – при збільшенні напруги живлення вихідний струм стабілізатора Iout може не лише зростати, але й, переходячи точку з нульовим приростом, спадати, що свідчить про виникнення від'ємної провідності. Режим з нульовим приростом вихідних сигналів при зміні напруги живлення виявився достатньо стабільним і ефективним для створення перетворювачів з мінімальною залежністю сигналів від напруги живлення.

Показано, що основним фактором від'ємної провідності є модуляція товщини бази транзисторів, яка описується напругою Ерлі. Приклади залежності вихідного струму стабілізатора Iout та струму через задаючий резистор RE I(RE)= IT при зміні напруги живлення схеми від 1,5В (мінімально допустима величина її нормального функціонування) до 10В наведено на рис.2. Графіки наведені для транзисторів з різним значенням напруги Ерлі |Ua|=50В (рис.2,а) та |Ua|=500В (рис.2,б).

Рис.2. Залежності струму через задаючий резистор I(RE)=IT - Ѓ та вихідного струму Iout - ‚ функціонального стабілізатора формувача від напруги живлення.

Теоретично та експериментально визначено аналітичні залежності нестабільностей струмів IT, Iout, зумовлених базовими струмами транзисторів; оптимізовано співвідношення між резисторами RZ та RE, при якому для заданої величини коефіцієнта підсилення струму транзисторів має місце рівність Iout=IT; розкрита суть виникнення від'ємних значень вихідної диференційної провідності стабілізатора та обґрунтована можливість використання цього ефекту в схемах температурних перетворювачів; визначено аналітичні залежності, що дозволяють оптимізувати розміщення екстремуму функції струмів IT, Iout у заданому діапазоні напруги живлення. Зокрема, показано, що вихідний струм функціонального стабілізатора - формувача описується як

де ; ;

IZ – струм в колі резистора RZ; ; b – коефіцієнт підсилення струму транзисторів; UA – напруга Ерлі; Z=IZ/IT.

Розроблено методику та відповідне математичне забезпечення по оптимізації співвідношення між відповідними резисторами схеми, першим етапом якої є розрахунок орієнтовних співвідношень, а другим - їх уточнення на модельному рівні. Залишкова нестабільність сигналу на першому етапі становить 0,1% при зміні напруги живлення на 1В, та зменшується до (0,01…0,05)% після кінцевої оптимізації.

Показано, що оптимальне співвідношення RZ/RE, при якому вихідний струм Iout не залежить від напруги живлення:

,

де UZ – падіння напруги на резисторі RZ,

та при

в першому наближенні – .

Приклад залежності вихідного струму Iout від напруги живлення в околі оптимізованої величини співвідношення RZ/RE (RE=1кОм) при p=5; b=100; зVaз=70В при RZ=40кОм-Ѓ, RZ=45,5кОм-‚, RZ=50кОм-ѓ, RZ=55кОм-„ наведено на рис.3.

Рис. 3. Залежність вихідного струму Iout від напруги живлення функціонального стабілізатора-формувача термосенсорної ІС.

Процес дослідження температурних характеристик вузлів первинних перетворювачів термосенсорних ІС та оптимізація режимів їх роботи передбачає розробку математичних моделей елементної бази. Нами проведене уточнення математичних моделей елементної бази, що застосовується в ППП "Spice". Виявлено необхідність введення в моделі додаткових поправочних коефіцієнтів температурної залежності струму насичення p-n-переходів та перерахунку температурних коефіцієнтів опорів резисторів ІС з опорної температури сенсорного пристрою до номінальної температури, що в ППП "Spice" становить Тnom=300K.

Проведено дослідження нелінійності ТКН ВАХ p-n-переходів та аналітичний опис цієї нелінійності. Показана необхідність введення в модель Гумеля-Пуна допоміжного коефіцієнта mG, який дозволяє коректно визначити температурну залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів при зміні коефіцієнта неідеальності m. Коректний опис моделей транзисторів у ППП "Spice" забезпечується визначенням трьох основних параметрів NF, IS та EG, причому параметр EG відповідає за температурний коефіцієнт ВАХ. У ході уточнення моделі можливе досягнення невідповідності між моделлю та ВАХ реальних структур ІС у межах (-0,8...0,7)% в температурному діапазоні (-50...+100)0С і робочому струмі (1...100)мкА.

Процедура уточнення моделей здійснюється так:

1) експериментально, за приростом DUbe/DT прямої ВАХ переходів визначається коефіцієнт неідеальності ;

2) з вольт-амперної характеристики визначається струм насичення Is;

3) експериментально в межах можливої зміни робочих струмів Ie визначається залежність dUbe/dT=f(Ie); з метою зменшення кількості оброблюваних даних робочі струми доцільно змінювати експоненціально, наприклад, Ie=1мкA; 10мкA; 100мкA; 1мА;

4) описуються параметри моделі Гумеля-Пуна: NF=m; IS=Is;

5) в першому наближенні задається EG=1,11/m;

6) проводяться температурні дослідження моделі, в ході яких уточнюють значення EG за критерієм максимального наближення в діапазоні робочих струмів даних dUbe/dT, отримуваних на модельному рівні з експериментальними даними;

7) аналізується пряма ВАХ p-n-переходу на її відповідність між модельними та експериментальними даними.

На основі уточненої моделі, яка описує температурну залежність напруги на p-n переході в схемі первинного перетворювача термосенсорних ІС, проведено аналіз температурної залежності вихідного струму Is=f(T). Показано, що ця залежність визначається температурним коефіцієнтом опору (ТКО) струмозадаючого резистора та ТКН емітерного p-n-переходу транзистора і є нелінійною навіть при ТКОE)Нелінійність ТКН на p-n переході в діапазоні зміни температури Tmax=T0+DTm, Tmin=T0-DTm відносно опорної температури T0 становить:

,

де A – лінійна складова TKО; DTm – половина діапазону зміни температури.

Основними результатами проведеного аналізу є:

·

· збільшення лінійного ТКО струмозадаючого резистора приводить до зменшення температурного коефіцієнта вихідного струму та збільшення нелінійності функції Iout=f(T) ;

· при певному значенні ТКО AZ=(3,0..3,5).10-3 1/К температурна характеристика вихідного струму проходить через нульові значення, при подальшому збільшенні А функція Iout=f(T) стає нелінійно спадаючою;

· характер нелінійності функції Iout=f(T) при A<AZ практично симетричний по відношенню до опорної температури і стає різко асиметричним при A>AZ.

Розкрита методика розрахунку оптимального співвідношення між температурними коефіцієнтами елементної бази стабілізатора, яке забезпечує мінімізацію нелінійності залежності вихідного струму від температури.

Завершальним етапом дослідження температурних характеристик вузла первинного перетворювача є визначення нелінійності напруг UT+, UT-.

.

Перша з них при TKО(RT)О(RE) теоретично є абсолютно лінійною функцією абсолютної температури, друга визначається нелінійністю вихідного струму функціонального стабілізатора - формувача Iout(T) та струму насичення p-n-переходу.

Показано, що зміна температурного коефіцієнту напруги UT- становить

де A та B – лінійна та квадратична складові TKО; q – показник степеневої функції Тq, яка входить в аналітичний вираз струму насичення p-n-переходу.

Отже, на відміну від вихідного струму функціонального стабілізатора Iout, вихідна напруга UT- характеризується суттєво меншою нелінійністю температурної залежності. Hаприклад, для типового значення А=2·10-3 град-1 в температурному діапазоні 1000С (-250С...+750С) нелінійність вихідного струму Iout становить (2,9...3,7)%, а напруги - (0,4...0,5)%.

В третьому розділі дисертації розроблені принципи побудови термосенсорних ІС з експоненціальною, квазілінійною та лінійною характеристиками перетворення, визначені їх переваги та недоліки.

Визначальною особливістю ІС з експоненціальною характеристикою перетворення є висока крутизна характеристик перетворення, мінімальні структурні затрати та можливість нормального функціонування при гранично низьковольтних джерелах живлення (від 2В). Показано, що в термосенсорних ІС з експоненціальною характеристикою перетворення при зміні температури на DT=10К приріст вихідного струму приблизно становить Y0=2,3 та Yt=4,9 при зміщенні транзистора термостабільною UT0 і температурнозалежною UT напругами відповідно. Це відповідає крутизні перетворення 9%К та 17% / К для даних режимів зміщення. У порівнянні з традиційними перетворювачами з лінійною характеристикою відносно абсолютної температури, для яких крутизна перетворення при T=300К становить 0,3%, чутливість зростає приблизно в 30 та 60 разів відповідно.

Принцип побудови термосенсорних ІС з квазілінійним відліком відносних температур базується на диференційному каскаді. Приклад схемної реалізації термосенсорної ІС з квазілінійною температурною залежністю струму в колі живлення схеми наведено на рис.4. Елементи T1-T7, R1, R2, RT, D1, D2 утворюють вузол первинного перетворювача; T10,T11 - диференційний каскад зі зміщенням на джерелі струму T12, R3; елементи T13-T21, R4 - операційний підсилювач; резистори R01, R02 - забезпечують відповідне масштабування вихідного струму.

Рис.4. Схема двопо-люсної термосенсорної ІС з квазілінійною характеристикою пере-творення в вихідний струм

Результати досліджень вихідного сигналу термосенсорної ІС з квазілінійною температурною залежністю струму в колі живлення на резисторі навантаження Rout=5кОм наведено на рис.5. Як випливає з досліджень, струм

Рис.5. Результати досліджень вихідного сигналу термосенсорної ІС з квазілінійною температурною залежністю струму в колі живлення на резисторі навантаження R=5кОм.

живлення ІС до значення температури t=340С має незначну температурну залежність (у масштабі даного графіка початкова залежність Iout від абсолютної температури не спостерігається), а в діапазоні (34…44)0С має місце квазілінійна функція перетворення з більш ніж двократним зростанням вихідного струму. Таким чином, характеризуючись високою крутизною перетворення і задовільною лінійністю, термосенсорні ІС з квазілінійною характеристикою дають змогу проводити вимірювання температури з високою чутливістю в межах декількох градусів по відношенню до її опорної величини.

Проведено систематизацію та аналіз ефективності структурних схем вторинних перетворювачів термосенсорних ІС з лінійним відліком відносних температур, які дозволяють сформувати сигнали у вигляді падіння напруги UT+, UT- на виводах живлення термосенсорної ІС. Це дозволяє зменшити кількість виводів ІС до трьох і, таким чином, використати при корпусуванні стандартні корпуси малопотужних транзисторів. Варіанти реалізації таких трививідних термосенсорних ІС з відліком відносних температур у вигляді відповідно зміщених джерел напруги UT+, UT- наведено на рис.6. Розширення функціональних можливостей таких сенсорів можна забезпечити шляхом заміни одного з температурнозалежних джерел на джерело U0, температурний коефіцієнт напруги якого в першому наближенні дорівнює нулю (ІС другої та третьої груп відповідно).

Рис.6. Варіанти реалізації трививідних термосен-сорних ІС з відліком відносних температур на джерелах UT+, UT-.

Приклад схемної реалізації трививідної термосенсорної ІС наведено на рис.7.

Рис.7. Схема триви-відної ІС з відліком відносних температур

В четвертому розділі наведені основні результати розробки тонкоплівкових сенсорних пристроїв для термометрії. На основі сучасної теорії термодинамічних і кінетичних властивостей вияснена природа кінетичних властивостей (питомого опору, коефіцієнта Зеебека, коефіцієнта Нернста-Еттінгсгаузена) кристалів, які використовуються при виготовленні сенсорів температури, що дозволяє передбачити параметри сенсорів і створювати сенсори з наперед заданими параметрами. Поряд з існуючими теоретичними опрацюваннями підтверджена залежність опору резистора від його природи і розмірів: , а коефіцієнт температурної чутливості прямо пропорційний ширині забороненої зони кристала , тобто для створення резисторів з великим значенням ТКО необхідно створювати та застосовувати матеріали з великою шириною забороненої зони.

Для вимірювання температури розроблено новий пристрій на основі розсуміщених двошарових резистивних плівкових структур (рис.8,а).

Рис.8. Блок-схема пристрою для вимірювання температури (а); графічні залежності зміни опору резистора з суміщеного резистивного плівкового шару від температури для різних значень температурних коефіцієнтів (б).

Напруга на виході підсилювача постійного струму залежить від температури: , де U – напруга джерела живлення; R – значення опору резисторів всіх плеч моста при t 0С; DRt – зміна опору термозалежних резисторів при зміні температури на 10С; t – температура, k – коефіцієнт підсилення підсилювача постійного струму.

Виявлені залежності зміни опору (рис.8,б) і відносної зміни опору резистора з суміщеного резистивного плівкового шару від температури для різних значень температурних коефіцієнтів. Похибка вимірювання температури з допомогою даного пристрою не перевищує 0,1%.

На основі плівкових резистивних елементів розроблений вимірювач температури в діапазоні –50...+1800С (рис.9,а), в якому використані залежності вихідної напруги мостової схеми від температури: , де Uвих - вихідна напруга керованого стабілізатора напруги; RL1, RL4 - значення

Рис.9. Структурна схема цифрового вимірювача температури (а) та графічні залежності абсолютної похибки від температури для різних значень (б), де ПП - первинний перетворювач мостового типу на плівкових резисторах R1 4, ДП - диференційний підсилювач, КСН - керований стабілізатор напруги, АЦП - аналого-цифровий перетворювач, СЗ - схема запуску, СК - схема керування, РП - регістр пам'яті та ІП - індикаторний пристрій.

опору ліній зв'язку; - відносний температурний коефіцієнт термозалежних резисторів; DRt – зміна опору резисторів R3 і R4 при зміні вимірювальної температури на 10С, а також вирази абсолютної (, де - коефіцієнт відношення опору лінії до загального опору мостової схеми) і відносної () похибок вихідної напруги. Виявлені залежності абсолютної похибки від температури для різних значень коефіцієнтів відношення опору лінії до загального опору мостової схеми (рис.9б), а також відносної похибки від зміни коефіцієнта відношення. Розроблений цифровий вимірювач температури з похибкою вимірювання 0,1...0,25.

На основі розсуміщених тонкоплівкових резисторів також розроблено та досліджено новий вимірювач температури (рис.10,а), в якому досліджені залежності вихідної напруги компенсаційного моста від температури в діапазоні t ...150 0C та, в температурному діапазоні вільних кінців термопари (-10...+60) 0С (рис.10,б).

Рис.10. Блок-схема вимірювача температур (а) та графічні залежності вихідної напруги компенсаційного моста в діапазоні температури вільних кінців термопари (б).

Досліджено термоелектричний плівковий сенсор температури і теплового потоку на основі термобатареї з Ag-Cu-Se (AgCuSe – n-тип, Ag0.4Cu1.6Se – p-тип). Виявлені закономірності зміни інерційності та чутливості сенсора від товщини плівки і товщини підкладки.

Розраховано розподіл температурного поля в структурі сенсора, конструкція якого змодельована півбезмежною смугою - пластиною з джерелами тепла q, розміщеними на лінії х (рис. ):

Рис.11. Модель конструкції сенсора температури і теплового потоку.

,

де tс – температура зовнішнього середовища; t0 - початкова температура смуги; х, у – координати точки серединної поверхні смуги, віднесені до півтовщини смуги d; - критерій Фур'є; а – коефіцієнт температуропровідності; ; - тета-функція; l - коефіцієнт теплопровідності; Mi=BiF0 – критерій Міхеєва; - функція похибок Гауса; St(t) н1, якщо 0; 0, якщо t Ј0 э - асиметрична одинична функція.

Збільшення товщини плівок приводить до незначного зменшення як чутливості, так і інерційності сенсора, що пов'язано зі збільшенням тепловідводу від гарячого спаю сенсора по віткам термобатареї. В той же час товщина підкладки суттєво впливає на інерційність сенсора: зі збільшенням товщини підкладки від 5 до 30 мкм інерційність збільшується в 3 рази, що пов'язано зі збільшенням теплоємності приймальної площадки. В той же час товщина підкладки не впливає суттєво на чутливість сенсора.

Розроблений сенсор діаметром 10 мм з кількістю спаїв 100 і внутрішнім опором термобатареї 20 кОм може використовуватись для вимірювання потоків випромінювання в діапазоні 10-10...103 Вт, спектральний діапазон 0,4...28 мкм.

Для метрологічного забезпечення розроблених термосенсорів та вимірювачів температури створено аналого-цифровий активний імітатор опору та малогабаритну, переносну, багатозначну міру опору, напруги та струму, що забезпечує представлення напруги, опору, струму з приведеною похибкою не більше 0,02% на границях 10мВ, 10Ом, 1мА відповідно і 0,01% - на інших границях. Дискретність відтворення опору, напруги, струму – 0,001Ом, 1мкВ, 0,1мкА відповідно.

У п'ятому розділі наведені результати розробки рідкокристалічних сенсорів температури. Вивчені температурні залежності кроку спіральної структури, напруги прямого холестерико-нематичного фазового переходу, часу вмикання немато-холестеричних сумішей на основі нематичних матриць (суміш 5 ЦБ і ЖК440) і оптично активних домішок (члени гомологічного ряду ефірів холестерину: холестерилкаприлат, холестерилкапронат, холестерилундецилат).

Зростання кроку з температурою пов'язане зі зменшенням розміру деформації поля директора нематика, спричиненим молекулою ОАД внаслідок погіршення передавання орієнтуючого впливу через кутову орієнтацію молекул нематичної матриці. При цьому даний процес не компенсується температурним зменшенням констант пружності.

Показано, що для хіральних нематичних сумішей на основі ціанобіфенілів та оксиціанобіфенілів з домішкою нематичного рідкого кристала бороксан зростання температури приводить до зменшення величини петлі гістерезису dU при всіх можливих концентраційних варіантах, що пояснюється зменшенням з температурою таких фізичних параметрів суміші, як діелектрична анізотропія De та константи пружності.

Показано доцільність використання в сенсорах температури немато-холестеричних сумішей на основі нематичних матриць з вищим вмістом сильно полярної компоненти і з оптично активними домішками членів ряду ефірів холестерину з вищим порядковим номером і меншою концентрацією.

Виявлено вплив кроку холестеричної фази синтезованих сумішей на ефективність селективного розсіювання бреггівського типу. Для випромінювання видимого діапазону інтенсивність розсіяного світла спадає зі зростанням значення р0 внаслідок зростання порядку дифракційного відбивання падаючого під кутом випромінювання.

Пояснено характер залежності значення мінімальної інтенсивності світла, яке пройшло через зразок у процесі холестерико-нематичного фазового переходу, від співвідношення d/р0, що визначається в основному механізмом розсіювання випромінювання видимого діапазону (І=0,63мкм) на неоднорідностях (доменах) конфокальної текстури НХС. Описано залежності відношення Іmin/Imax від відношення d/рo для досліджуваних НХС з допомогою функції, в якій введено коефіцієнт А, що враховує дисперсію розмірів та напрямку орієнтації конфокальних доменів.

Розроблено мікроелектронний сенсор температури на основі електрооптичних ефектів у системі оптична призма – рідкий кристал, який забезпечує реєстрацію температури завдяки ефекту селективного відбивання та пропускання довжин хвиль