Розробка мікроелектронних перетворювачів теплової потужності у частоту на основі транзисторних структур з від'ємним опором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка мікроелектронних перетворювачів теплової потужності у частоту на основі транзисторних структур з від'ємним опором

Осадчук В.С.

Осадчук О.В.

Барабан С.В.

Ільченко О.М.

Вступ

При дослідженні фізичних властивостей речовин у задачах контролю теплових режимів різноманітних технологічних процесів першочергове значення мають температурні вимірювання, які на сьогодні складають близько 40% усіх вимірювань, які здійснюються в промисловості[1]. У багатьох випадках необхідно здійснювати вимірювання температури важкодоступних технічних об'єктів, об'єктів, які знаходяться під електричним потенціалом, у радіоактивному або агресивному середовищі. Для цього доцільно використовувати безконтактні методи вимірювання температури, зокрема вимірювання температури за випромінюванням.

В сенсорах потужності випромінювання (СПВ) енергія електромагнітних коливань перетворюється в теплову, механічну енергію або в електричний сигнал, що доступний для подальшого перетворення і вимірювання[2]. Широке застосування в якості сенсорних пристроїв різного призначення, детекторів і СПВ знаходять піроелектричні матеріали[3]. Використовується головним чином їх головна властивість - будь-який вид радіації, який потрапляє на піроелектричний зразок, викликає зміну його температури і відповідну зміну поляризації. До числа переваг піроелектричних сенсорів випромінювання відносяться широкий (практично необмежений) діапазон частот детектуючої радіації, висока чутливість, швидкодія, здатність до роботи в області високих температур[3].

Мета дослідження

Покращення метрологічних параметрів сенсорів потужності випромінювання шляхом розробки електричних схем на основі транзисторних структур з від'ємним опором.

Постановка задачі дослідження

Як показує аналіз літературних джерел [1,5] перспективним напрямком у розвитку піроелектричних СПВ є створення інтегральних активних конструкцій із застосуванням тонких піроелектричних матеріалів. Автори статті пропонують новий підхід до вирішення проблем, які існують в даній області сенсорної техніки.

Аналіз роботи піроелектричних структур

Аналізувати роботу піроелектрика в зовнішніх електричних колах навантаження і підсилення зручно за допомогою його еквівалентної схеми[4]. В піроелектричному перетворювачі (рис. 1) полярний діелектрик використовується у вигляді пластини 1, покритої металічними електродами 2, до яких під'єднанні зовнішні виводи 3. Піроелектрик володіє об'ємною провідністю, врахованою опором втрат R. В будь-який момент часу баланс зарядів на поверхні піроелектрика описується виразом:

,

де D - індукція вільних зарядів від будь-якого джерела, частіше провідності; - напруженість електричного поля в піроелектрику; - сумарний (від дії на різні властивості піроелектрика) приріст зв'язаного заряду. При зміні температури, тобто при дії тільки на піроелектричні властивості, можна записати, що (S - площа електродів, що співпадає з площею поперечного перерізу піроелектрика).

а) б)

Рис. 1. Ввімкнення піроелектрика у зовнішнє коло (а) і його еквівалентна схема (б)

піросенсор електричний коло температура

Припускаючи, що індукція D зумовлена тільки провідністю піроелектрика, для теплової дії з врахуванням (U - напруга на електродах піроелектрика) отримуємо:

(1.1)

де для малих власна електрична ємність піроелектрика .

Для ідеального діелектрика і вираз (1.1) набуває вигляду:

,

чому відповідає еквівалентна схема на рис. 1.

Вираз (1.1) описує еквівалентну схему (рис.1) піроелектрика з кінцевим опором втрат R. Нескладно побачити, що це типова схема електростатичного джерела з е.р.с. , навантаженого на власний опір втрат R, який також враховує діелектричні втрати піроелектрика і в загальному випадку залежить від частоти.

Структурна схема перетворення в чутливому елементі більшості піроелектричних пристроїв (рис.2) складається з трьох етапів[4]:

1. W - T: теплова дія W викликає зміну температури T піроелектрика.

2. T - Q: зміна температури T зумовлює появу зарядів Q на електродах піроелектрика.

Рис. 2. Структурна схема піроелектричних перетворювачів

3. Q - U: заряд Q на електродах піроелектрика створює різницю потенціалів U, значення якої залежить від власної ємності піроелектрика та імпедансу навантаження.

Тому дані сенсори є перетворювачами теплової потужності.

Провідні позиції в області розробки піроелектричних СПВ займають такі компанії: Infra Tec, Dias Angewandte (Німеччина), Murata Manufacturing (Японія). З іншого боку в якості запатентованих конструкцій піроелектричних СПВ домінують США (рис. 3)[5].

Рис.3. Розподіл запатентованих конструкцій по провідним виробникам СПВ

Нами були проаналізовані найбільш поширені методи вимірювання температури на основі піроелектриків[6], на основі чого зробимо висновки про загальні недоліки існуючих пристроїв:

1) низька точність вимірювання, яка падає після кожної ланки обробки вихідного сигналу (який вже йде з похибкою зумовленою особливостями будови піроматеріалів і додатковими паразитними фізичними ефектами, окрім піроефекту), оскільки кожна схема, будь-то підсилення, обробки має власну похибку;

2) низька економічність пристрою, зумовлена наявністю схем підсилення, АЦП;

3) низька завадостійкість;

4) неможливість передачі інформації на відстань.

Як вихід з даних проблем ми пропонуємо використовувати в основі СПВ конструкції автогенераторів, описаних в [7]. Це дасть змогу отримати мікроелектронні перетворювачі теплової потужності у частоту на основі транзисторних структур з від'ємним опором.

З аналізу статті [8] слідує, що перспективним напрямком у розвитку піроелектричних СПВ є створення інтегральних активних конструкцій з застосуванням тонких плівок піроелектричних матеріалів.

Методи побудови мікроелектронних перетворювачів теплової потужності у частоту

Розглянемо інтегровані датчики потужності випромінювань (ДПВ) на основі комбінованих твердотільних структур [9]. Дані ДПВ використовуються як сенсори температури в системі автоматизованого керування і контролю параметрів печі ІЧ-сушіння виробів електронної техніки[10]. В основі ДПВ лежить біполярний транзистор з польовим керуванням (БТПК). Розглянемо будову і принцип роботи ДПВ більш детально. Узагальнена конструкція ДПВ наведено на рис.

Рис. 4. Узагальнена схема ДПВ[9]

ДПВ містять чутливий елемент (ЧЕ) - поглинач випромінювань, керуючий елемент (КЕ) - піроелектричний перетворювач і виконавчий елемент (ВЕ) - БТПК. Робота ДПВ супроводжується зміною вихідного параметра ВЕ в результаті зміни потенціалу на одному з електродів БТПК, електрично з'єднаному з піроелектриком. Нагрівання піроелектрика відбувається за рахунок перетворення потужності сигналу в теплоту за допомогою ЧЕ[9]. Розроблені структури ДПВ, наведені на рис. 5 [9], відповідно до яких вимірювальний перетворювач містить підкладку 1, із кремнію n-типу з орієнтацією (100), на якій виконана ізопланарна транзисторна структура з бічною SiO2 -ізоляцією, у якій за допомогою анізотропного травлення виконаний паз 2, дно якого розташоване в області колектора 3, а області бази 4 і емітеру 5 обмежені однією зі стінок паза, на стінках паза сформований шар SiO2 - 6 і додатковий польовий електрод - затвор 7. На колекторний контакт 8 послідовно наносяться шари піроелектрика 9 і металовуглицевого композита 10, що здійснюють перетворення потужності сигналу. Розроблено [9] кілька видів конструктивно-технологічного виконання ДПВ (рис. 5):

а) з ЧЕ і КЕ в ланцюзі колектора БТПК;

б) з ЧЕ і КЕ в ланцюзі затвора БТПК;

в) з ЧЕ і КЕ в ланцюзі бази БТПК.

а) б)

в)

Рис. 5. Варіанти структур ДПВ

Вихідний сигнал даних ДПВ у вигляді електричного струму, що зумовлює збільшення похибки вимірювань та знижує економічність систем для вимірювання температури на їх основі.

Узагальнену схему конструкції ДПВ (рис.4) ми і використаємо для розробки мікроелектронних перетворювачів теплової потужності у частоту на основі транзисторних структур з від'ємним опором.

З винаходу [11] використаємо чутливий елемент, який подано на рис. 6.

Рис. 6. Піроелектричний елемент активного інтегрального піросенсора: 1 - ІЧ радіація; 2 - поглинач у вигляді платинової пластини; 3 - піроелектрик; 4 - нижня обкладинка (платина); 5 - діелектрик; 6 - кремнієва підкладка

Даний елемент є чутливим конденсатором і виконує своє функціональне призначення в схемі [11]. Ми пропонуємо ввімкнути даний конденсатор у МОН-біполярну структуру для побудови автогенератора. Схема такого вимірювального пристрою подано на рис. 7.

Рис. 7. Мікроелектронний сенсор теплової потужності

Піроконденсатор працює за схемою перетворення рис. 2. Таким чином, потужність падаючого випромінювання змінює ємнісну складову повного опору на електродах стік -колектор польового транзистора VT1 і біполярного транзистора VT2, а це викликає зміну резонансної частоти коливального контуру, що відображається на вихідному частотному сигналу пристрою.

Можливі інші схеми перетворювачів, якщо використати структуру метал-піроелектрик-напівпровідник, яку подано на рис. 8[12].

Рис. 8. Піроелектричний польовий транзистор

Про можливість побудови і використання в якості теплових сенсорів піроелектричних польових транзисторів було відомо ще в 60-ті роки минулого століття[13]. Проте їх практична реалізація з виходом у виробництво стала можлива лише в 90-ті роки минулого століття з розвитком відповідних технологій [8]. В нашій схемі транзисторного генератора використаємо польовий піроелектричний транзистор [12], технологія якого, опис роботи і характеристики можна знайти в [14]. Тоді вимірювальна схема автогенераторного пристрою буде мати вигляд на рис. 9.

Рис. 9. Мікроелектронний пристрій для виміру теплової потужності

Потужність випромінювання, яке падає на піротранзистор VT1 буде змінювати значення напруги, що існує на електродах затвор-витік польового транзистора VT1 і змінювати значення ємності коливального контуру, утвореного послідовним включенням повного опору з ємнісним характером на електродах стік -колектор польового піроелектричного транзистора VT1 і біполярного транзистора VT2 та індуктивним опором пасивної індуктивності L, а це викликатиме зміну резонансної частоти коливального контуру.

Можливі й інші електричні схеми вимірювання побудовані за структурою рис. 4 і використанням автогенератора, описаного в [7]. Авторами статті було подано ряд заявок на винаходи і наступним етапом роботи є моделювання мікроелектронних перетворювачів теплової потужності.

Висновки

Проаналізувавши фізичні основи роботи піросенсорів, існуючих методів вимірювання температури на основі піроелектриків, інтегральні активні конструкції з застосуванням тонких плівок піроелектричних матеріалів, авторами був запропонований новий метод вимірювання температури на основі контакту діелектрик-напівпровідник, а також були розроблені електричні схеми мікроелектронних перетворювачів теплової потужності у частоту на основі транзисторних структур з від'ємним опором.

Список літератури

1. Гоц Н.Є. Сучасні проблеми інформаційної підтримки оптичної пірометрії/ Актуальні проблеми економіки №10, 2006, с.45-51

2. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - с. 55-57

3. Струков Б.А. Пироэлектрические материалы: свойства и применение/ Соросовский образовательный журнал №5, 1998, с. 96-101

4. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи - М.: Сов. Радио, 1979, 176 с.

5. Киселев Е.Н., Костенко В.Л. Дистанционное измерение тепловых потоков малой мощности/ Состояние, проблемы и направления развития производства цветных металлов в Украине. - Запорожье: ЗГИА, 2001, с. 352-357

6. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Барабан С.В., Ільченко О.М. Аналіз методів вимірювання температури на основі піроелектриків/ Материалы научной Интернет конференции: Современные научные достижения - 2008/ Технические науки/ 6. Электротехника и радиоэлектроника, 11 с.

7. Осадчук О.В. Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі транзисторних структур з від'ємним опором. - Вінниця: «УНІВЕРСАМ-Вінниця», 2000, с. 303

8. Сигов А.С. Сегнетоэлектрические тонкие пленки в микроэлектронике/ Соросовский образовательный журнал №10, 1996, с. 83-91

9. Костенко В.Л., Швец Е.Я., Киселев Е.Н., Омельчук Н.А. Измерительные преобразователи на основе комбинированных твердотельных структур - Запорожье, издательство ЗГИА, 2001, с.101

10. Костенко В.Л., Швец Е.Я., Максименюк А.В., Киселев Е.Н. Особенности построения корпоративных сетей интеллектуальных датчиков параметров технологических процессов/ Металлургия (сб. научных трудов)/ отв. ред. Колесник Н.Ф., Колобов Г.А. - Запорожье: ЗГИА, 2003. - выпуск 8 С. 146-148.

11. Патент 0108385 США, МКИ G 01 J 5/00 Pyroelectric sensor Joseph V. Mantese Delphi Technology - №05100 Заявл. 20.02.2004; Опубл. 17.03.2007 - 16 с.

12. Патент 4024560 США, МКИ H 01 L 29/78 Pyroelectric-field effect electromagnetic radiation detector Robert C. Miller, Shu-Yau Wu Заявл. 04.09.1975; Опубл. 17.03.1977 - 16 с.

13. Патент 3426255 США, МКИ H 01 L 11/14 Field effect transistor with a ferroelectric control gate layer Walter Heywahg Munich Заявл. 01.07.1965; Опубл. 29.06.1966 - 16 с.

14. Science and technology of integrated ferroelectrics/ Selected papers from eleven years of the proceedings of the international symposium on integrated ferroelectrics/ Carlos Paz de Araujo, Orlando Auciello, Ramamoorthy Ramesh, George W. Taylor/ Gordon and Breach Science Publishers, 2000, 681 p.

Размещено на Allbest.ru