РОЗДІЛ 2
ТЕРМОМЕТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МІКРОЕЛЕКТРОННОЇ СЕНСОРНОЇ КРЕМНІЄВОЇ СТРУКТУРИ З
ДІЕЛЕКТРИЧНОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ
Вступ
Серед неелектричних величин вплив теплового поля на параметри і характеристики
будь-якої мікроелектронної структури розглядається як один з найважливіших
чинників, що визначає функціонування приладу. В більшості випадків
конструктивними, технологічними або схемотехнічними засобами намагаються
мінімізувати або компенсувати прояв теплового поля у вихідних характеристиках
пристрою. Актуальність цієї задачі підтверджується дослідженнями в галузі
напівпровідникової електроніки [67]. Але в сенсорній електроніці термочутливі
властивості матеріалу або приладу використовують як для прямих вимірювань
температури, так і для непрямих вимірювань температурно-залежних величин,
наприклад, вологості, швидкості газових потоків, об’єму, мікропереміщень.
Значний прогрес, якого досягнули мікроелектронні технології, призвів до появи
високочутливих інтегральних структур, на основі яких були створені датчики та
пристрої вимірювання температури з високими експлуатаційними характеристиками.
В мікроелектронному сенсорі разом з вдалим вибором матеріалу або структури з
високою термочутливістю необхідно забезпечити також технологічність та
сумісність за електрофізичними параметрами з сучасними пристроями інтегральної
мікроелектроніки.
Використання термометричних властивостей p-n переходу вирішує перераховані вище
проблеми. Діодні сенсори температури вважають одними з найбільш точних і
технологічно відтворюваних для вимірювання температур в діапазоні 4 – 500 К
[68]. Це підтверджують дослідження, що проводяться, зокрема, в Інституті фізики
напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Вони спрямовані на вивчення
механізмів струмопереносу крізь різкий асиметричний p-n перехід, визначення
параметрів, сукупність яких забезпечує оптимальність функціонування діодного
сенсору за критерієм максимального діапазону вимірювання термометричної
характеристики або за критерієм максимальної чутливості [17, 68-71]. Ці роботи
дозволили створити кремнієві широкодіапазонні (від 4,2 К до 500 К) датчики
температури з унікальними характеристиками. Вони представляють собою прилади
дискретної електроніки, функціонування яких здійснюється на основі ефекту
падіння напруги на прямо зміщеному p-n переході (діодні сенсори температури
серії ДТ-450, DVT та інші).
Мікроелектронна КСДІ, представлена в розділі 2, є мультисенсорною і
багатофункціональною ІМС. В її складі нараховується 6 діодних структур по 12
p-n переходів в кожній. ЕРС, яка виникає в діодній структурі, може надходити на
зовнішній вимірювальний перетворювач, або використовуватись як вхідний сигнал
для первинного вимірювального перетворювача на МДН-транзисторі, сформованого на
одній підкладці з діодними структурами.
Термометричні властивості КСДІ визначаються не тільки ефектом падіння напруги
на прямо зміщених p-n переходах, але і фото-ЕРС розімкненого кола p-n
переходів. Вимірювання температури пристроєм, сформованим з елементів КСДІ у
складі діодних сенсорів і МДН-транзистора, має свої особливості. Знання цих
особливостей може бути використано як для посилення термочутливості, так і
стабілізації температурного дрейфу вихідного сигналу при вимірювання інших
неелектричних величин за допомогою сенсорної КСДІ.
Таким чином, дослідження термометричних характеристик мікроелектронної
сенсорної КСДІ становить науковий і практичний інтерес. В цьому розділі
розглянуто температурні властивості сенсорної КСДІ. Основні наукові результати,
викладені в ньому, надруковані в роботах [86 - 88].
2.1. Мікроелектронні сенсори температури
Більшість сенсорних систем здійснює аналогове перетворення первісного сигналу,
тому рівень і форма сигналу сенсора визначає складність і вартість вимірювання.
Хоча можливості сучасної схемотехніки долають проблеми, що виникають в
перетворенні слабких нелінійних сигналів, сигналу високого рівня квазілінійної
форми (в ідеалі лінійної) завжди віддається перевага.
В конструкціях мікроелектронних сенсорів досягається компроміс між намаганням
отримати потужний електричний сигнал з максимальною крутизною в широкому
діапазоні вимірювальної шкали і фізичними можливостями матеріалу твердого тіла
мікронного об’єму забезпечити достатній рівень сигналу. Для термосенсорів
актуальним є поєднання високої чутливості і малих розмірів, завдяки чому
досягається мала теплова інерційність. Визначальним є фізичний ефект, на основі
якого відбувається перетворення тепла в електричний сигнал, та технологічність
виробу.
В терморезисторних сенсорах мірою температури, що вимірюється, є зміна опору.
Температурний коефіцієнт платини складає 0,0039 К-1, а нікеля 0,006 К-1.
Кремнієві датчики мають більший температурний коефіцієнт (приблизно на
порядок), проте їх вихідна характеристика відрізняється значною нелінійністю, а
діапазон температур, що вимірюється, (-55 0С … +175 0С) суттєво вужчий, ніж у
датчиків з платини та нікелю (-200 … +850 0С) [12].
В термоелектричних датчиках вимірюють термо-ЕРС, що виникає на границі
хімічного контакту шарів різних матеріалів. Коефіцієнт термо-ЕРС невиродженого
напівпровідника , де r – параметр розсіювання, що залежить від механізму
розсіювання, - відношення рухливостей носіїв заряду в рівноважному і
нерівноважному стані. З цього видно, що абсолютні значення коефіцієнта a можуть
бути кратними 86,3 мкВ/К. В біметалічних плівках в залежності від властивостей
матеріалів термочутливість знаходиться в межах від 7 мкВ/K до 70 мкВ/K. Так,
наприклад, сплав Cu – CuNi в діапазоні температур 0 … 100 0С має
термочутливість близько 43