Кремниевые резистивные датчики

Кремний широко используется для изготовления датчиков температуры, об­ладающих положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротив­ления. В настоящее время кремниевые резистивные датчики часто встраива­ются в микроструктуры для осуществления температурной компенсации или проведения прямых измерений температуры. Также существуют дискретные кремниевые датчики, например, детекторы температуры KTY фирмы Philips. Такие датчики обладают довольно хорошей линейностью (которая может быть улучшена при помощи простых термокомпенсационных цепей) и высокой дол­говременной стабильностью (обычно ±0.05К в год). ПТК кремниевых резис­торов позволяет их использовать в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств: среднее превышение темпе­ратуры (до 200°С) приводит к увеличению их сопротивле­ния, за счет чего осуществля­ется функция самозащиты.

Чистый кремний, как мо­нокристаллический, так и по­ликремний, сам по себе обла­дает отрицательным темпера­турным коэффициентом (ОТК) сопротивления (рис. 18.1 Б

Рис. 16.4. Удельное сопротивле­ние и количество свободных но­сителей зарядов в кремнии, леги­рованном

примесями n-типа

Однако после легирования примесями n-типа, в определенном темпе­ратурном диапазоне его тем­пературный коэффициент становится положительным (рис. 16.4). Этот эффект объясняется снижением под­вижности носителей зарядов при понижении температуры. При высоких температурах количество свободных носи­телей зарядов увеличивается за счет спонтанно образуемых носителей, поэтому в этом температурном диапазоне преобладают собственные по­лупроводниковые свойства кремния. Таким образом, при температурах ниже 200°С, удельное

Рис. 16.5. Передаточная функция кремниевого датчика температуры

сопротивление кремния имеет ПТК,а при температурах выше 200°С он становится трицательным.KTYдатчик состоит из крис­талла кремния n-типа размером 500x500x240 мкм, металлизированного с од­ной стороны и с контактной площадкой с другой стороны. При такой конст­рукции датчика создается эффект «растягивания» сопротивления, в результа­те которого внутри кристалла устанавливается коническое распределение тока, значительно снижающее зависимость характеристик от производственных до­пусков. При больших токах и высоких температурах KTY датчик становится чувствительным к направлению тока. Для решения этой проблемы применя­ется сдвоенный датчик, в котором два чувствительных элемента включаются последовательно навстречу друг другу. Такие датчики часто используются в ав­томобилях.

Типичная чувствительность кремниевого датчика с ПТК составляет по­рядка 0.7%/°С, т.е. его сопротивление меняется на 0.7% при изменении темпе­ратуры на 1°С. Передаточную функцию KTY датчика можно аппроксимиро­вать полиномом второго порядка:

(16.14)

где R_o и Т₀ — сопротивление в Омах и температура в Кельвинах, измеренные в эталонной точке. Например, рабочий диапазон датчиков KTY-81 составляет — 55...+150°С, А = 0.007874К^-1,

В =1.874х10^-5К-². На рис. 16.5 показана типовая пе­редаточная функция кремниевого резистивного датчика.