Разработка системы диагностирования температуры среды на основании металлических и полупроводниковых датчиковых измерителей температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания

2. Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентов конструкции

3. Конструкторские расчеты

3.1 Расчет статических характеристик ЧЭ

3.2 Конструктивный расчет терморезистора

3.3 Конструктивный расчет термонезависимого сопротивления

4. Разработка топологии кристалла

5. Составление схемы электрической принципиальной устройства

6. Разработка технологии изготовления чувствительных элементов

7. Разработка конструкции датчиков и технологического процесса сборки измерительной системы

Заключение

Введение

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах - там, где другие параметры измерить невозможно. Так, например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д. [11].

Датчики температуры, имеют различные структуры и принципы работы. Приведем некоторые наиболее распространенные типы термодатчиков.

1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов

В датчиках температуры на основе диодов и транзисторов используют зависимость параметров p-n перехода в полупроводнике от температуры.

Исторически первым температурозависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с температурой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10%.К-1. Однако, диапазон температур, в пределах которых возможно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.

Наибольшее распространение получило использование прямых параметров диодов и транзисторов [12]. Их существенными преимуществами перед обратными являются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочих температур, высокая стабильность.

Так например, датчик TS-560, разработанный ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург) представляет собой полупроводниковый диод на основе арсенида галлия. Диапазон измерения такого датчика (4,2…500) К, основная погрешность (0,1%, чувствительность (2…3) мВ/К, габаритные размеры 3,3 мм) [5].

На основе транзисторов, эмиттерный переход которых включен в одно из плеч моста, созданы термодатчики типа ТЭТ-1, ТЭТ-2 [10]. Первый тип используется для измерения температуры в полевых условиях в диапазоне (-10…+40) °С с основной погрешностью не более 1 К, второй - в диапазоне (-40…+80) °С с погрешностью не более (0,3…2) К.

Температурные пределы применимости транзисторов в термодатчикахзначительно шире, чем при использовании транзисторов по прямому назначению. Ограничение применимости со стороны высоких температур наступает вследствие перехода примесного полупроводника в собственный, уменьшения пробивного напряжения и повышения генерации носителей в базовой области при отрицательных напряжениях.

Применимость при низких температурах определяется уменьшением концентрации основных носителей из-за дезактивации легирующих примесей и уменьшения коэффициента усиления по току.

Основным недостатком рассматриваемых термодатчиков является сложность получения их номинальной статистической характеристики из-за разброса основных параметров транзисторов: коэффициента усиления по току, сопротивления базовой области, тока утечки и др. Анализ и оценка влияния разброса указанных параметров на точность измерения температуры при использовании номинальной статистической характеристики, выполненные в [12], показали, что для прямых параметров транзисторов с градуировкой при одной температуре погрешность измерения в схеме с общим эмиттером - не более 2 и 50% при коэффициенте усиления по току 30 и 200 соответственно.

Важной характеристикой для широкого внедрения термодатчиков на основе транзисторов и диодов является стабильность их параметров. Основными причинами нестабильности следует считать обратимый процесс гидратации-дегидратации оксидного слоя на поверхности полупроводникового кристалла и возникновение остаточных деформаций в нем вследствие неодинаковости температурных коэффициентов линейного расширения материалов деталей транзисторов [12].

2. Датчики температуры на основе терморезисторов

Наиболее широкое распространение получили датчики на основе терморезисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к дестабилизирующим факторам. Полупроводниковые терморезистивные преобразователи отличаются достаточно большой чувствительностью (на порядок и больше) нежели металлические.

Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественной промышленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными элементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков является большое значение температурного коэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры. В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый допуск по сопротивлению и ТКС (позисторы СТ5 и СТ 6).

Изменяя состав материала чувствительного элемента, можно получить терморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в пределах от -6,5 до +20 %/К [11].

Чувствительные элементы изготавливают самых различных конфигураций -от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром (3…25) мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые чувствительные элементы обычно заливают стеклом или помещают в стеклянные и пластмассовые корпуса.

Дисковые чувствительные элементы часто защищают изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах и герметизируют в металлические или пластмассовые корпуса [5].

Однако, термодатчики такого типа обладают рядом недостатков.

Температурная зависимость сопротивления носит нелинейный характер. Технология изготовления чувствительных элементов не позволяет получать номинальные значения сопротивлений даже для одного типа с разбросом меньше (10…20)%. Кроме того, значения температурного коэффициента сопротивления терморезисторов одной конфигурации могут отличаться почти в два раза [11], вследствие чего отсутствует их взаимозаменяемость.

Но основным недостатком термометров этого типа является то, что они, несмотря на проведение в процессе изготовления искусственного старения, обладают низкой временной стабильностью и воспроизводимостью.

Значительно большей стабильностью электрофизических свойств по ставнению с аморфными веществами обладают монокристаллы. Для создания монокристаллических чувствительных элементов термометров широкое применение получили кремний и германий. В чистом виде германий и кремний используются выше 20 К.

В области более низких температур наиболее часто используется легированный германий.

В настоящее время в области практического использования никакой полупроводниковый материал не может конкурировать с кремнием по степени изученности характеристик и, особенно, по степени разработанности и освоенности технологии изготовления. На основе монокристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в области средних температур.

Положительным значением температурного коэффициента удельного сопротивления в широком диапазоне температур обладает кремний, легированный примесями с малой энергией активации.

На базе кремниевых чувствительных элементов с положительным ТКС рядом зарубежных фирм (Volvo, Siemens (Германия), Philips (Нидерланды), ITT Components Group (Великобритания), Rodan Industries Inc, Texas Instruments (США) и др. разработано и выпускается серийно большое количество термодатчиков различного назначения. Чувствительные элементы этих приборов однотипны и представляют собой кристаллы кремния n-типа проводимости, изготовленные в виде брусков или кубиков.

Размеры чувствительных элементов могут несколько варьироваться для получения требуемого сопротивления.

3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры

Улучшение характеристик полупроводниковых датчиков температуры и упрощение их конструкции может быть достигнуто при использовании чувствительных элементов, изготовленных из тонких пленок полупроводника, нанесенного на полупроводниковую или диэлектрическую подложку. Изготовление таких датчиков осуществляется массовыми методами планарной технологии, которые обеспечивают получение значений номинальных сопротивлений с достаточно высокой точностью и, кроме того, позволяют использовать при изготовлении лазерные методы подгонки номинальных сопротивлений.

Большие возможности по дальнейшему совершенствованию пленочных термодатчиков возникли с появлением в серийном производстве гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» (КНС).

Применение монокристаллической пленки кремния для изготовления терморезисторов обеспечивает повышенную стабильность характеристик термодатчиков. Хорошие изолирующие свойства сапфира вплоть до температур около 1300 К позволяют создавать термодатчики, верхний предел рабочих температур которых, в принципе, ограничен только физическими свойствами кремния. Высокий коэффициент теплопроводности сапфира способствует снижению показателя тепловой инерции термодатчика.

В настоящее время на основе чувствительных элементов из КНС-структур создан ряд термодатчиков. Так датчик температуры ТЭЭ-295, разработан в НПО измерительной техники г.Королев, работает в диапазоне температур от 73 до 473 К и имеет основную погрешность 0,25% [5].

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания

терморезистор датчиковый измеритель температура

В данном курсовом проекте необходимо разработать систему диагностирования температуры среды на основании металлических и полупроводниковых датчиковых измерителей аппаратуры.

Данная система диагностирования должна отвечать следующим параметрам:

а) Диапазон измеряемых температур, С: от минус 250 до плюс 500;

б) Сопротивление терморезистора, Ом: 30;

в) Материал терморезистора: германий;

г) Габаритные размеры измерительного блока датчика, не более, мм: 403050;

д) Тип легирующей примеси: сурьма;

е) Температурный коэффициент сопротивления терморезистора, %/С: 0.15;

Проведя анализ исходных данных, получим следующее расширенное техническое задание:

1) Для обеспечения измерений в температурном диапазоне от минус 250 до плюс 500С необходимо применить три датчика температуры - две термопары и германиевый датчик температуры. Германиевый датчик обеспечит измерение температуры в диапазоне от минус 50 до плюс 50С, а термопары в диапазоне от минус 250 до минус 50С и от плюс 50 до плюс 500С.

2) Сопротивление германиевого терморезистора принимаем равным 30 Ом, для обеспечения хорошей технологичности его производства.

3) Для производства германиевого терморезистора используем стандартные материалы для данного вида ЧЭ, а именно: пластину монокристаллического германия, легированную сурьмой до удельного сопротивления 0.3 Ом·см, толщиной 0.35 мм.

4) Для проведения измерений во всем температурном диапазоне необходимо разработать электронную схему переключения датчиков, отвечающих за каждый температурный поддиапазон.

5) Для обеспечения точности измерения температуры для каждого из датчиков необходимо применить усилитель сигнала.

6) Все чувствительные элементы датчиков температуры необходимо размещать как можно ближе друг к другу для лучшей достоверности результата измерения температуры.

7) Необходимо применить как можно меньшее количество и длину соединительных проводов для обеспечения хорошей помехоустойчивости измерительной системы.

8) Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы. Ударные нагрузки присутствуют.

Вибрации в диапазоне частот 10…70 Гц с ускорением до 2g. Пониженное атмосферное давление 61 кПа.

9) Вероятность безотказной работы изделия, не менее - 0,85. Гарантийный срок эксплуатации - 2 года.

10) Ориентировочная программа выпуска - 500 приборов в год.

2. Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентов конструкции

Для изготовления датчика температуры используется германиевая пластина марки ГДБ0,3/0,2. В области более низких температур наиболее часто используется легированный германий, как хорошо изученный полупроводниковый материал, технология получения кристаллов которого хорошо отработана. В качестве легирующей примеси используем сурьму, так как коэффициент диффузии сурьмы на порядок меньше бора и фосфора, следовательно, его целесообразно использовать тогда, когда требуется, чтобы примесь была неподвижна на последующих высокотемпературных операциях или для изготовления слоев с резким профилем легирования.

Для формирования контактной области n+-типа в качестве донорной примеси используем фосфор обладающий повышенным коэффициентом диффузии и повышенной растворимостью в германии.

Для изготовления слоя коммутации и контактных площадок на кристалле используется алюминий А99, так он в наибольшей степени удовлетворяет следующим условиям[1]:

· Обеспечивает омический контакт с германием;

· Имеет низкое удельное сопротивление(2,6*10-6 Ом*см);

· Имеет хорошую адгезию к германию;

· Имеет невысокую стоимость;

· Сравнительно прост метод нанесении проводящей пленки.

Так как система работает одновременно в условиях низких и высоких температур, то к материалу корпуса кроме механической прочности, коррозионной стойкости, высоких изоляционных свойств предъявляются еще требования выдерживать низкие и высокие температуры. Всем этим свойствам в полной мере отвечает хромоникелевая аустенитная сталь 12Х18Н10Т. Данная сталь хорошо сваривается и обладает большим запасом вязкости. При нормальной температуре предел текучести аустенитных сталей не превышает 400-450 МПа.[8]

Для присоединения кристалла датчика к корпусу терморезистора будем использовать клеи на основе гетероциклических полимеров, а частности полиимидный клей марки СП-6. Достоинством этого клея является прочность, высокая стойкость к термической, термоокислительной и радиоционной диструкции, химическая стойкость. Также достоинством этого клея является способность работать как в области высоких так инизких температур.[8]

Для герметизации кристалла в корпусе будем использовать эпоксидный герметик марки УП-5-105-2 применяемый в радиотехнической аппаратуре. Данный герметик сохраняет работоспособность в условиях тропической влажности, при вибрационных и ударных нагрузках, длительно работают при температуре от минус 60 до 140°С. Предел прочности 6-55 МПа. [8]

Для приварки выводов будем использовать золотую проволоку марки ЗЛ9999 диаметром 50мкм. Так как золото одлабает наилучшей адгезией с алюминием.

Для предотвращения воздействия температуры на корпуса терморезистора и термопар, защитный кожух покрываем материалом из оксида циркония (ZrO2). Особенностью данного оксида является инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности 2Вт/(м•К), высокая температура плавления 2700°С, высокая стойкость к тепловому удару и невысокий коэффициент линейного расширения 7,7•10-6. Все это делает возможным его применение в качестве термоизоляционного покрытия.[8]

3. Конструкторские расчеты

3.1 Расчет статических характеристик ЧЭ

Исходными данными для расчета чувствительного элемента датчика температуры являются [2].:

· температурный диапазон;

· материал терморезистора;

· сопротивление терморезистора;

· напряжение питания.

1) Температурная характеристика определяет зависимость сопротивления терморезистора от температуры RT(T). Она описывается уравнением (3.1).

,(3.1)

где RT и RN - соответственно сопротивление при температурах T и Tb=298K;

B - константа материала терморезистора, K

,(3.2)

где E - энергия активации, для Ge равна 0,74эВ;

k - постоянная Больцмана, равная 1.3810?-23Дж/К

Подставив известные значения в формулу (2.1), получим:

(3.3)

Далее построим зависимость RT=f(T), подставляя значения температур из диапазона от 23К до 473К в формулу (3.3).

Рисунок 3.1- Рабочая характеристика терморезистора с отрицательным ТКС

Температурный коэффициент сопротивления терморезистора равен

,(3.4)

где B=8.626103К.

Подставив в формулу (3.4) значения температур из диапазона от 23К до 473К, получим зависимость ТКС от температуры (рисунок 3.2).



Рисунок 3.2 - Зависимость ТКС германия n-типа электропроводности от температуры

Если к терморезистору подключить еще резистор с не зависящим от температуры сопротивлением, то температурную характеристику терморезистора можно до некоторой степени линеаризовать. Подключим параллельно термонезависимое сопротивление Rр.

,(3.5)

где RTM - сопротивление терморезистора при температуре TM;

TM - средняя температура рабочего диапазона, равная

,(3.6)

С.

Ом.

Теперь можно подставить известные значения в формулу(3.5)

Принимаем RP=10 кОм.

Произведем расчет линеаризованной характеристики, равной

(3.7)

и строим зависимость R=f(T) в диапазоне от 23К до 473К (Рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 - Линеаризация характеристики терморезистора с отрицательным ТКС посредством параллельного включения дополнительного термонезависимого сопротивления

Измеряемое выходное напряжение рассчитывается по формуле

,(3.8)

если схема питается током, I=0.4 - 5мА.

,(3.9)

Подставляя в данную формулу значения температуры из диапазона от 23К до 473К, получим зависимость выходного напряжения UM от температуры (Рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Зависимость выходного напряжения UM от температуры

3.2 Конструктивный расчет терморезистора

Расчет терморезистора будем производить по методике приведенной в [2].

Термосопротивление изготавливается из монокристаллического германия, легированного сурьмой до удельного сопротивления 0.3 Ом·см. Толщина исходной пластины германия равна 0.35 мм. С помощью изотропного травления и химико-динамической полировки доводим толщину пластины до 15020 мкм. Контакты изготовлены из пленки алюминия с предварительным подлегированием контактных областей бором для создания омического контакта.

Удельное поверхностное сопротивление терморезистора [9]

(3.10)

где V - удельное сопротивление тела терморезистора, Ом·см; h - толщина германиевого терморезистора, 150 мкм.

Находим удельное поверхностное сопротивление

Ом.

Ширина резистора рассчитывается на основании удельной мощности рассеяния по формуле

(3.11)

где PО - удельная мощность рассеяния резистора, (0.54.5) Вт/мм2; P - номинальная рассеиваемая мощность полупроводникового резистора, Вт.

При расчете выбираем PО=1 Вт/мм2.

Полное сопротивление резистора

(3.12)

где kф - коэффициент формы; kр - коэффициент, учитывающий растекание тока в контакте.

Для структуры германиевого резистора (рисунок 2.5) kр = 0.07.

Рисунок 3.5 - Геометрия терморезистора

Коэффициент формы находим из выражения (3.13)

(3.13)

Длина резистора на кристалле равна

(3.14)

Длина резистора на фотошаблоне равна

(3.15)

где ТРАВ. - погрешность, вносимая за счет растравливания окон в маскирующем слое, ТРАВ. = 0.3 мкм.

Принимаем L = 1.2мм, а B=0.9мм.

3.3 Конструктивный расчет термонезависимого сопротивления

Расчет термонезависимого сопротивления будем производить по методике приведенной в [2].

Термонезависимое сопротивление RР для линеаризации температурной характеристики термоэлемента выполнено методом напыления из резистивного сплава РС3001 с удельным поверхностным сопротивлением. Рисунок резистора сформирован методом контактной фотолитографии.

Коэффициент формы тонкопленочного резистора

(3.16)

где L - длина резистора; В - ширина резистора.

Расчетная ширина резистора ВРАСЧ. должна быть не меньше той, которая может быть выполнена при современном состоянии технологии ВТЕХН. = 0.1 мм (при фотографическом методе).

(3.17)

Ширина резистора ВР рассчитывается из условия допустимой рассеиваемой удельной мощности PО = 20 мВт/мм2

(3.18)

где P - рассеиваемая мощность резистора, Вт.

По формуле (2.18) ширина резистора равна

Минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная точность

(3.19)

где В, L - точность воспроизведения геометрии резисторов (при фотолитографическом методе В = L = 10 мкм).

(3.20)

где - погрешность воспроизведения сопротивления квадрата резистивной пленки ( =4 %); Rt - относительное изменение сопротивления при наибольшей рабочей температуре + 100 С;

R - температурный коэффициент сопротивления, для сплава РС3001 равен - 0.2 · 10-4 1/ °.

Rct - погрешность сопротивления, обусловленная старением тонкопленочных резисторов, для сплава РС3001 равна 1 % ; Rk - погрешность сопротивления, вносимая контактами, равна 12 % ; R - относительная погрешность сопротивления, равна 10 % .

Подставим перечисленные значения в выражение (3.20)

По формуле (3.19) ширина резистора

Выбираем ширину резистора из неравенства (3.17)

Длина резистора

4. Разработка топологии кристалла

При разработке топологии кристалла полупроводникового датчика температуры на кристалле необходимо учитывать следующие конструктивно-технологические ограничения [3]:

Таблица 1- Конструктивно-технологические ограничения

Минимально-допустимые размеры	мкм
1) Для интегральных элементов
Размер контактных площадок для приварки проводников	100Ч100
Расстояние между контактными площадками	70
Ширина проводника	6
Расстояние между проводниками	4
Размеры окна вскрытия в окисле	2,5Ч2,5
Перекрытие металлизацией контактных окон	2
Размер окна в пассивирующем слое	100Ч100
Расстояние между соседними резисторами	7
2) Для пленочных элементов
Расстояние от элемента до края подложки	200
Ширина резистора	100
Длина резистора	100
Ширина проводников	50
Размеры контактных площадок	100Ч150
Перекрытие элементов расположенных в разных слоях	100

Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т.е. наиболее оптимальное размещение на кристалле элементов схемы и соединений между ними.

Кристалл датчика температуры представляет собой германиевую подложку с выполненными на ней терморезистором, полученный методом диффузии и термонезависимым сопротивлением.

Терморезистор выполнен в кармане n-типа проводимости с удельным поверхностным сопротивлением 0.3 Ом•см. Глубина залегания p-n перехода 2.5 мкм. Примесь сурьма, размеры резистора 1.20.9 мм.

Термонезависимое сопротивление выполнено методом напыления сплавом PC-3001, его размеры 0.31.5 мм.

Для внешней разводки предусмотрены контактные площадки размером 300300 мкм.

Чертеж кристалла приведен в приложении..

5. Составление схемы электрической принципиальной устройства

Для проведения достаточно точных измерений температуры, необходимо использовать электронные усилители сигналов от первичных датчиковых измерителей.Схема электрическая принципиальная такого усилителя приведена в приложении.

В составе схемы мы можем выделить следующие основные функциональные модули:

1) блок усиления сигнала германиевого датчика температуры;

2) блок усиления сигнала первой термопары;

3) блок усиления сигнала второй термопары;

4) блок сравнения и индикации сигналов датчиков;

Схема устройства работает следующим образом [4].

Германиевый датчик температуры размещен в плече измерительного моста. Под воздействием температуры происходит изменение сопротивления терморезисторов. Изменение сопротивления терморезисторов преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный преобразуемой температуре. Полученный электрический сигнал поступает на схему преобразования, собранную на LM358. Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию сигнала.

Усилитель сигнала термопары собран на одной сдвоенной микросхеме КР140УД20А. Усилитель собран по дифференциальной схеме и обеспечивает хорошую помехоустойчивость устройства. Конденсаторы C1, C2 обеспечивают фильтрацию наводок с термопары.

Усиленные сигналы с выхода усилителей термопар и термодатчика поступает на схему сравнения, выполненную на микроконтроллере PIC16F873. Полученное оцифрованное значение выводится на ЖКИ типа HT1613, а также вырабатывается сигнал управления электродвигателями. Пока температура на объекте измерения находится в пределах от минус 250 до минус 50С работает первая термопара (остальные сигналы запираются) и ее выходной сигнал после усиления поступает на вход RA1 микроконтроллера, где вырабатывается управляющий сигнал первому электродвигателю, а также поступает на регистрирующее устройство.

Аналогично происходит работа микроконтроллера если температура на объекте измерения находится в пределах от минус 50С до плюс 50С , и от плюс 50С до плюс 500С. В случае снижении температуры на объекте измерения процесс пойдет в обратном порядке.

Порог срабатывания для каждого диапазона устанавливают путем подбора соответствующих номиналов резисторов.

В программе микроконтроллера предусмотрено усреднение выводимых значений. В схеме имеется источник опорного напряжения. От него также запитан микроконтроллер. Измерительный мост питается напряжением 6 В.

Калибровку необходимо производить на стенде с образцовым термометрами. Калибровочные резисторы - только прецизионные.

6. Разработка технологии изготовления чувствительных элементов

Совокупность технологических процессов и операций, проводимых в определённой последовательности, составляет технологический цикл изготовления ЧЭ.

В настоящее время в электронной промышленности для создания полупроводниковых ЧЭ используется несколько разновидностей технологических процессов, отличающихся главным образом способами создания изоляции между отдельными интегральными элементами.

Было решено изготовить ЧЭ германиевого датчика температуры по планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией элементов p-n переходами.

Изготовление ЧЭ с изоляцией элементов p-n переходами [3]:

1. Формирование партии пластин.

2. Гидромеханическая отмывка пластин.

3. Химическая обработка.

Смесь Каро (H2SO4+H2O2), перикисьно-амиачная смесь. Оборудование-- линия “Лада 125”.

4. Окисление.

Установки СДОМ, АДС. Температура 1000ОС. О2+пар.

5. Первая фотолитография.

Формирование области n-кармана.

5.1. Нанесение фоторезиста.

Фоторезист -- ФП383.

Установка ХБС.

5.2. Совмещение экспонирования пластин ЭМ -- 576А.

5.3. Проявление фоторезиста.

Проявитель -- едкий калий.

5.4. Дубление фоторезиста.

Установки “Лада”.

5.5. Травление окисной пленки.

Буферный травитель.

5.6. Контроль.

6. Ионное легирование сурьмой.

Установка “Лада 30”.

7. Снятие фоторезиста.

7.1. Плазма. Установка “08 ПХО 100Т-001”

7.2. Смесь Каро.

8. Химическая обработка.

9. Разгонка сурьмы.

Температура 920ОС. О2+азот.

10. Вторая фотолитография.

Формирование подконтактной n+- области.

10.1. Нанесение фоторезиста.

Фоторезист -- ФП383.

Установка ХБС.

10.2. Совмещение экспонирования пластин ЭМ -- 576А.

10.3. Проявление фоторезиста.

Проявитель -- едкий калий.

10.4. Дубление фоторезиста.

Установки “Лада”.

10.5. Травление окисной пленки.

Буферный травитель.

10.6. Контроль.

11. Ионное легирование фосфором.

Установка “Лада 30”. (глубина 1 мкм до поверхностного сопротивления 1510 Ом/ . Температура 900ОС) .

12. Снятие фоторезиста.

12.1. Плазма. Установка “08 ПХО 100Т-001”

12.2. Смесь Каро.

13. Химическая обработка.

14. Окисление пластин.

15. Напыление резистивной пленки РС3001 до удельного сопротивления 2000 Ом/

Установка “Магна 2М”.

16. Третья фотолитография.

Получения линеаризующего тонкопленочного резистора.

17. Четвертая фотолитография.

Вскрытие контактных окон.

18. Химическая обработка.

19. Напыление Al на всю поверхность пластины t=200 оС.

Установка “Магна 2М”.

20. Пятая фотолитография.

Формирование алюминиевой разводки.

21. Вжигание алюминия.

Температура 475ОС в азоте.

22. Нанесение защитного окисла.

Температура 400ОС. SiH4+O2.

Установка “Аксин”.

23. Шестая фотолитография.

Пассивация: создание пленки толщиной 2 мкм; создание отверстий в защитном слое для контактный площадок фотолитографией; напыление алюминия для увеличения толщины контактных площадок.

24. Контроль электрических параметров.

25.Скрайбирование и разделение пластины на отдельные кристаллы.

26.Монтаж годных кристаллов в корпус ,УЗ-сварка внешних выводов .

27. Контроль внешнего вида.

7. Разработка конструкции датчиков и технологического процесса сборки измерительной системы

Чувствительный элемент германиевого датчика температуры помещен в металлический корпус, заполненный газообразным гелием. Достоинством данного корпуса является хорошая теплопроводность, поэтому погрешность измерения температуры будет незначительной.

Сборка датчика температуры осуществляется в следующей последовательности:

- На основание наносится капля клея марки СП-6 в месте установки кристалла.

- Кристалл устанавливается на основание с соблюдением ориентации.

- Производится разварка контактных площадок кристалла на соответствующие выводы ультразвуковой сваркой, используется проволока ЗЛ 9999 диаметром 50 мкм.

- Производится заливка датчика герметиком УП-5-105-2 методом свободной заливки и производится сушка в течении 10 часов при температуре 600С.

- Производится сварка металлического корпуса, предварительно заполненного газообразным гелием.

Для измерения температуры в диапозоне от минус 250С до минус 50С необходимо использовать термопарный металлический датчик. Промышленность сегодня выпускает достаточно широкий спектр термопар для решения даже самых сложных и специфических задач по измерению температуры. В нашем случае выберем термопару типа ТМК , обладающую минимальными габаритами и достаточной чувствительностью.

Термопара медь--константан (ТМК) широко применяется во многих странах для измерений не только низких температур 20...273 К, но и температур выше 0°С. Оба термоэлектрода широко распространены в электротехнике, что обеспечивает доступность. При 400°С начинается активное окисление медного проводника. Верхняя граница применения ТМК -- 600°С. В диапазоне от 0 до 100°С медный термоэлектрод в паре с константаном может быть заменен манганиновым. При этом значительно сокращается утечка тепла вдоль положительного термоэлектрода

Для измерения температуры в диапозоне от плюс 50С до плюс 500С необходимо использовать термопару из платинородиевого сплава.

Применяем термопару с повышенным содержанием родия: ПР 20/5. Она характеризуется высокой стабильностью и может быть использована для непрерывных измерений температуры на воздухе до 1700°С. Номинальная статическая характеристика термопары ПР 20/5 после 200-часового пребывания на воздухе при 17000С изменяется при 1550°С менее чем на 5 К.

В термопаре ПР 20/5 сочетаются удовлетворительная чувствительность и жаростойкость. Поправка на температуру свободных концов для этой термопары настолько мала, что иногда ею можно пренебречь. Она также обладает высокой стабильностью термоэлектрической характеристики.

Практическая возможность работы без специальных удлинительных проводов существенно упрощает эксплуатацию этих термопар в заводских условиях. [5]

Конструкция измерительной системы представляет собой корпус, состоящий из двух герметичных камер. В первой камере находится плата усилителей сигналов датчиков и управлениями электродвигателей, электродвигатели, выходной разъем и коммутационные части измерительных датчиков.

Вторая камера содержит чувствительные элементы датчиков и непосредственно сообщается с объектом измерения при помощи отверстия.

Корпус кремниевого датчика закрепляется при помощи четырех винтов и зажимного кольца.

Термопары имеет собственную резьбу и ввинчиваются в корпус измерительной системы.

Кроме того на каждый датчик одет защитный кожух, который может смещаться вверх и вниз при помощи резьбового соединения.

Управление движением защитных кожухов осуществляется электродвигателем, который сообщается с кожухом при помощи зубчатой передачи.

Электрические выводы всех датчиков и выходного разъема распаиваются к соответствующим точкам на плате.

Маршрут сборки измерительной системы.

1) Установить кремниевый датчик в соответствующее отверстие корпуса, используя уплотнительную прокладку.

2) Накрыть корпус кремниевого датчика зажимным кольцом.

3) Вставить соединительные винты в соответствующие отверстия на зажимном кольце и плотно закрепить датчик.

4) Закрутить термопары в соответствующее отверстие в корпусе измерительной системы, используя уплотнительную прокладку.

5) Произвести пайку выводов датчиков температуры к соответствующим точкам платы печатной.

6) Произвести установку защитных кожухов и управляющих электродвигателей.

7) Закрепить плату печатную к корпусу при помощи винтов.

8) Закрыть крышку 1 в корпусе измерительной системы.

9) Закрыть крышку 2 в корпусе измерительной системы.

10) Произвести установку измерительной системы на объект измерения.

11) Закрепить измерительную систему на объекте измерения при помощи зажимной гайки.

12) Произвести контроль работоспособности системы.

Заключение

В ходе курсового проектирования была разработана конструкция системы диагностирования температуры на основе полупроводниковых и металлических датчиков температуры. Были проведены конструкторские расчеты, необходимые для создания германиевого терморезистора, разработана технология его изготовления и сборки всей измерительной системы. Итогом работы по проектированию системы измерения температуры явился комплект конструкторской документации, представленный в приложении, содержащий схему электрическую принципиальную, топологический чертеж германиевого терморезистора, комплект фотошаблонов, сборочный чертеж основного датчика температуры и чертеж общего вида измерительной системы.

Размещено на Allbest.ru