Датчик температури

Реферат: UA 87874 U UA 87874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області вимірювальної техніки і може бути використана для вимірювання температури в кріогенній, атомній енергетиці, електроенергетиці, фізиці низьких температур, наукових дослідженнях та інших галузях науки і техніки. Швидкий прогрес атомної енергетики, кріогенної енергетики, фізики низьких температур і надпровідності та інших галузей науки і техніки супроводжується підвищенням технічних вимог до датчиків температури, які можуть працювати в екстремальних умовах експлуатації, таких, що вміщують діапазон температур від 77 K до 500 K. Такі датчики повинні забезпечувати високу точність вимірювання у цьому діапазоні температур. Поряд з цим, до кріогенних датчиків пред'являють ряд спеціальних вимог - висока чутливість, стабільність та відтворення параметрів. Відомо також, що найбільш перспективними для контролю температури в області низьких температур є напівпровідникові термометри на основі германію, оскільки отримання монокристалів цього матеріалу з високим ступенем чистоти і доскональності структури добре опановано промисловістю [1]. Відомі напівпровідникові германієві терморезистори, придатні для вимірювання температури в діапазоні 20-77 K [2]. Вони являють собою леговані шари германію, отримані шляхом дифузії сурми в масивний германій на глибину порядку 1 мкм. Такі дифузійні шари германію мають малі розміри та надійну конструкцію, високий опір при температурі рідкого азоту, характеризуються малою інерційністю до температури. Вони мають високу температурну чутливість і, як наслідок, точність вимірювання температури в діапазоні температур 20-77 K, але з підвищенням температури їх чутливість падає, і вони не придатні для вимірювання температури з високою точністю при температурі понад 77 K. Відомий терморезистор [3], виконаний в вигляді пластично деформованої термочутливої плівки германію, яка розміщена на підкладці з високоомного арсеніду галію - аналог корисної моделі. При зміні температури в діапазоні 77-300 K величина опору плівки германію змінюється в межах від 100 кОм при 77 K до 50 Ом при 300 K. З відомої залежності опору плівки германію від температури і вимірюваному значенні опору терморезистора знаходять величину температури, що треба вимірювати. Виникаючі при пластичній деформації дефекти (точкові і протяжні лінійні дефекти структури) в об'ємі плівки германію забезпечують появу провідності по домішках в ділянці низьких температур і, як наслідок, високу чутливість терморезистора. Зміна температури в ділянці низьких температур (біля 77 K) на один градус Кельвіна тягне за собою зміну опору терморезистора в межах від сотні до тисячі Ом/K. При більш високих температурах (200-300 K) через те, що рівень легування домішками високий, чутливість терморезистора зменшується і складає одиниці-десяті долі Ом/K і, як наслідок, зменшується точність вимірювання температури. При подальшому збільшенні температури (300-400 K) чутливість відомого пристрою складає соті долі Ом/K, і як наслідок, різко знижується точність вимірювання температури. Таким чином, відомий пристрій забезпечує завдяки високій температурної чутливості точне вимірювання температури в ділянці низьких температур (77-300 K), а при збільшенні температури в ділянку більш високих температур (більше ніж 300 K) через зменшення чутливості точність вимірювання температури низька. Найбільш близьким технічним рішенням є плівковий германієвий датчик температури прототип корисної моделі [4]. Прототип призначений для вимірювання температури в розширеному діапазоні робочих температур за рахунок забезпечення високої температурної чутливості плівки германію в діапазоні температур від 4,2 K до 350 K і в умовах впливу динамічних температурних навантажень. Пристрій містить чутливу до температури плівку германію, розташовану на підкладці з напівізолюючого арсеніду галію, розміщену в корпусі з основою і кришкою. Термочутлива монокристалічна плівка германію має концентрацію домішок 18 -3 19 -3 галію і миш'яку від 1 × 10 см до 5 × 10 см . Ступінь компенсації домішок галію NGa і миш'яку NAs в плівки германію K=NGa/NAs=0,9-1. До плівки германію приєднані електричні висновки. Однак через високу ступінь компенсації домішок галію NGa і миш'яку NAs в плівки германію K=NGa/NAs=0,9-1 відомий прототип має високе значення температурної чутливості, і, наприклад, енергія активації терморезистора досягає 0,4 еВ. В результаті в області низьких температур (при зниженні температури нижче гелієвих температур) опір чутливого елемента різко зростає, досягаючи значень одиниць-сотень МегаОм, що призводить до зниження точності вимірювання при низьких температурах. При підвищенні температури опір чутливого елемента терморезистора різко падає, досягаючи значень одиниць-часток Ом, що призводить до зниження точності вимірювання при високих температурах. Таким чином, відомі пристрої, прототип та аналоги, не можуть бути використані для дослідження точного вимірювання температури в розширеному діапазоні температур 4,2-500 K. 1 UA 87874 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задача, на рішення якої направлено заявлене технічне рішення, полягає в розробці нового датчика температури, який забезпечує з високою точністю визначення температури в розширеному діапазоні робочих температур. Поставлена задача вирішується тим, що в новому пристрої для визначення температури включає чутливу до температури плівку германію, яка легована домішками галію та миш'яку, плівка розташована на підкладці з напівізолюючого арсеніду галію, розміщені у корпусі, згідно з корисною моделлю, термочутлива плівка виконана з пружно деформованого германію, його товщина d визначається з умови 50 нм ddкp нм, де dкp - критична товщина плівки, при якій відбувається релаксація пружних напруг. Авторами експериментально встановлено, що при реалізації нового пристрою термочутлива плівка германію виконується з пружно деформованого германію, а товщина плівки d повинна вибиратися з умови 50 нм ddкp нм, де dкp - критична товщина плівки, при якій починає відбуватися релаксація пружних напруг. Експериментально встановлено, що в пружно деформованій плівці германію висока температурна чутливість в діапазоні від 4,2 K до 500 K обумовлена впливом фізичних процесів, які пов'язані з присутністю домішок галію та миш'яку, 18 -3 19 -3 концентрація яких досягає значень від 1 × 10 см до 5 × 10 см . Однак при товщині d термочутливої плівки германію більше dкp відбувається релаксація пружних напружень через невідповідність постійних кристалічної решітки германію та арсеніду галію. В результаті релаксації пружних механічних напружень в термочутливій пластично деформованій плівці германію виникають структурні дефекти (наприклад, дислокації невідповідності, точкові і протяжні лінійні дефекти структури). Зазначені структурні дефекти призводять до істотної зміни електричних і температурних властивостей плівки германію, оскільки, крім механізмів розсіювання, обумовлених домішками галію і миш'яку, виникають обумовлені структурними дефектами додаткові механізми розсіювання та локалізації носіїв заряду. У результаті в плівках германію товщиною d>dкp зменшується стабільність термочутливої плівки германію, і висока точність вимірювання температури в робочому діапазоні температур 4,2-500 K не досягається. При d