Калориметричні сенсори на кремнієвих термопарах та транзисторах

Рис. 6.9. Сенсор з радіальним розташуванням термопар

Калориметричні (термічні) трансдьюсери перетворюють тепло на напругу. Зазвичай цей процес дво- або тристадійний. Спочатку нетермічний сигнал перетворюється на тепло ΔQ, яке потім перетворюється на різницю температур ΔT. Після цього різниця температур трансформується в трансдьюсері на різницю потенціалів ΔU: (6.8). Найпростіший приклад такого сенсора – термопара. Це два дроти з різних металів, які спаяно в одному кінці й розімкнено в другому. Різниця потенціалів виникає на розімкнених кінцях, якщо є різниця температур між спаяними та розімкненими кінцями дротів. Сенсорна полімерна плівка, на яку адсорбується газ із виділенням теплоти, наноситься на гарячий кінець термопари; холодний кінець залишається відкритим (рис. 6.9). Виникнення різниці потенціалів між гарячим і холодними кінцями базується на ефекті Зеєбека (Seebeck):

(6.9), α_S – коефіцієнт Зеєбека, який вимірюється у В/град і є постійною матеріалу. Для отримання максимального ΔU треба брати два дроти з максимальною різницею значень α_S.

Рис. 6.10. Коефіцієнти Зеєбека р-кремнію при різних рівнях легування: 1 – 2,4х10¹⁶ см^–3; 2 – 1,0х10¹⁸ см^–3; 3 – 1,5х10¹⁹см^–3

Для кремнію при кімнатній температурі коефіцієнт Зеєбека може бути апроксимований функцією електричного опору як: (6.10) де ρ₀ = 5х10^–6 Ом* м, константа m ~ 2,5, k – постійна Больцмана. На рис. 6.10 показано залежність коефіцієнта Зеєбека від температури при різних концентраціях легуючої домішки. Типові значення α_S досягають 0,3–5 мВ/К. Оскільки α_S у металах на два порядки менше, ніж у кремнію, то впливом ефекту Зеєбека на будь-яких металевих з'єднаннях у сенсорі можна знехтувати в порівнянні з ефектом на контакті метал (використовують найчастіше Al контакт) – кремній. Для підвищення чутливості сенсора смужки термопар з'єднують у серію в кількості N штук (рис. 6.9). Тоді чутливість сенсора буде пропорційна добутку α_S N. Тепло, яке виділяється при адсорбції/десорбції, призводить до виникнення імпульсу термонапруги відповідного знака (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Кінетика відповіді калориметричного сенсора при дев'яти послідовних циклах подачі та випусканні трихлорметану з концентрацією: 6000, 8000, 12000, 16000, 20000, 24000, 28000, 24000 та 20000 ppm	Рис. 6.12. Схема транзистора із загальною базою (а) і залежність VBE від температури

Чутливість методу можна підняти, якщо використати замість кремнієвих термопар біполярну транзисторну структуру. Якщо маємо кремнієвий біполярний транзистор, який підключено за схемою із загальною базою (рис. 6.12, а) і постійним І_с = const колекторним струмом, то напруга база – емітер V_BE зменшуватиметься майже лінійно з температурою (6.11) де λ – константа, яка залежить від густини струму, Т – абсолютна температура. Величина λ ≈ 2 мВ/К, пряма V_BE (T) перетинає вертикальну вісь на

V _BE0 =1,27B. Ця величина не залежить від густини струму та геометрії транзистора. Таким чином, калібровка сенсора зводиться до побудови графіка V_BE(T_ref) для серії температур T_ref. Оскільки при зміні напруги колектор – база спостерігається ефект зміни ширини бази – ефект Ерлі (Early) і напруги V_BE, робочий режим сенсорного транзистора обирається за умови, що напруга колектор – база V_CB = 0B, тобто в режимі короткого замикання. Тоді, колекторний струм буде: (6.12) де A_e – площа емітера, J_s – густина струму насичення, який залежить від рівня легування. Легко розрахувати, що зміна I_c/A _e у 2 рази веде до зміни V_BE на 18 мВ, проте V_BE0 залишається сталим для всіх типів транзисторів і величин струмів: (6.13). На практиці використовують температурні сенсори на основі кремнієвих інтегральних схем (ІС), які поєднують на одному чипі електронний підсилювач, зміщення за напругою, лінеаризацію та аналого-цифровий перетворювач. Серед них найбільш відомим ІС температурним сенсором є так званий PTAT-сенсор, який генерує вихідний струм або напругу, що пропорційні абсолютній температурі. Базовим сигналом PTAT-сенсора є різниця ΔV_BE між напругою база-емітер двох транзисторів, які працюють при постійному значенні відношень їх емітерних струмів. Коли обидва транзистори мають однакову температуру Т, то з рівняння (6.13) можна знайти, що

(6.14). Для ідентичних транзисторів на одному чипі,

J_s2=J _s1. Коли відношення площ емітера r= A_e2/A _e1і відношення струмів колектора

p=I_c1/I_c2 є сталими, то (6.15).

Рис. 6.13: а) принципова схема npn-PTAT струмового джерела; б) система вимірювання температури з вихідним сигналом, який пропорційний температурі в ⁰C, ⁰F, чи в будь-якій іншій шкалі

Ця напруга пропорційна абсолютній температурі PTAT. Рис. 6.13, а показує схему PTAT струмового джерела. Транзистори Q₁ та Q₂ реалізують необхідну величину r, а транзистори Q₃ та Q₄ створюють так зване струмове "дзеркало" з величиною відношення струмів p. PTAT струмове джерело створює калібрований вихідний струм

1 мкА/К, який пропорційний абсолютній температурі та

стабілізований щодо зміни напруги живлення. Недоліком як транзисторної біполярної структури, так і PTAT-сенсора є те, що при звичайних температурах є значний початковий сигнал "зсуву". Оскільки при хімічній адсорбції температурна зміна незначна, то бажано мати трансдьюсер з нульовим початковим сигналом до адсорбції. Сигнал, який пропорційний температурі в ⁰C, ⁰F, чи будь-якій іншій шкалі можна отримати за допомогою системи, що показано на рис. 6.13, б. На ній окрім PTAT-сенсора використовують диференційний підсилювач і джерело напруги порівняння.

32. Калориметричний сенсор з плаваючою мембраною: еквівалентна електрична схема та параметри. Термічний сенсор вологості.

Рис. 6.14: а) сенсор з плаваючою мембраною; б) еквівалентна електрична схема

З погляду еквівалентної схеми структура з плаваючою мембраною є найпростішою конфігурацією для термічного сенсора (рис. 6.14, а). Спочатку на кремнієвій підкладці методами селективного хімічного травлення створюють мембрану, а потім більшу частину мембрани на межі з кремнієвою оправою витравляють таким чином, що вона тримається лише на кількох нитках до оправи. Ці нитки й визначають термічний опір структури, а сама мембрана є підкладкою для створення приладу для реєстрації нетермічного фізичного сигналу. На мембрані виготовляють, наприклад, термопару, за допомогою якої вимірюють різницю температур між плаваючою мембраною та оправою (вважається, що остання перебуває при температурі навколишнього середовища). Така структура має велику активну площу мембрани (гарячий контакт) і великий термічний опір для витоку тепла, оскільки підвішені нитки вузькі й мають велику довжину.

Еквівалентну схему термічної системи описують математично такими самими рівняннями, що й електричні прилади. Такий підхід ґрунтується на тому, що такий термічний параметр, як температура Т (град) відповідає електричному параметру напруги U (В). Тоді тепловий потік P і по-тужність відповідатимуть електричному струму J (А). Дійсно, коли в матеріалі існує температурний градієнт, тепло поширюється від гарячого

кінця до холодного й тепловий потік Р (вимірюється в одиницях Вт/м²) буде пропорційний температурному градієнту вздовж напрямку х: (6.16) де k_T – коефіцієнт термічної провідності (Вт/град* м). Тоді, враховуючи, що k_T відповідає електричній провідності σ, а Т відповідає напрузі U, запишемо, що , оскільки . Теплота Q_m (Дж = Вт* с) відповідає електричному заряду Q_e (А*с):

Q_e = Jt = Pt = Q_m. Тепловий опір R_m (град/Вт) відповідає електричному опору R_e(Ом = В/А), оскільки . Теплова провідність G_m (Вт/град) відповідає електричній провідності G_e (Ом^–1), оскільки Теплова ємність C_m (Дж/град) відповідає електричній ємності C_e (Ф = А*с/В), оскільки . Еквівалентна схема сенсора містить (рис. 6.14, б): термічну провідність нитки 1/ R_beam, термічну ємність структури C _film, паразитну провідність G_film за рахунок втрат плаваючої мембрани при конвекції, радіації та теплової провідності через газ. Змінна провідність G_sen є бажаною провідністю, яку створює фізичний сигнал. За рівноважних (стаціонарних) умов температура сенсора вища температури навколишнього середовища T_amb: (6.17). Час відповіді сенсора коли потужність нагріву різко змінюється від 0 до постійної величини Р₀ при t = 0, задається як: (6.18), де часова константа τ_film

визначається загальною термічною провідністю та термічною ємністю:

(6.19). Тобто це еквівалентно електричній RC часовій константі. Із формули (6.19) можна легко встановити, як треба оптимізувати параметри термічного сенсора мембранного типу для покращення його швидкодії. У цілому, перевагами термічного трансдьюсера для газових сенсорів є широка область його лінійності (до 5 порядків) і висока чутливість. Серед недоліків треба відзначити необхідність температурної стабілізації, оскільки зміна температури навколишнього середовища спотворює вихідні параметри сенсора. Для усунення цього недоліку застосовують складні мембранні структури та диференціальні пари сенсорів. Другою проблемою є необхідність уникати інтерференції ефектів, коли при одночасній адсорбції кількох газів можуть відбуватись складні хімічні реакції як з поглинанням, так і вивільненням теплової енергії, в той час як сенсор буде вимірювати тільки результуючу теплову дію.

Рис. 6.15. Тиск насиченої пари як функція температури; відносна вологість при Та визначається як P_V/Ps

ТЕРМІЧНИЙ СЕНСОР ВОЛОГОСТІ

Напівпровідникові транзисторні та термопарні структури можна використати для визначення вологості. Вологість визначається концентрацією молекул води в повітрі. Проте для користувача більш зручним є знання парціального тиску водяної пари, абсолютної вологості (вага водяної пари в одиниці об'єму), відносної вологості (відношення тиску водяної пари до тиску насиченої пари при даній температурі) і точки роси (температура конденсації водяної пари Т_d). Так званий сенсор або метод точки роси використовує точне знання співвідношення між тиском насиченої пари води P_S і температурою (рис. 6.15). Незалежно від оточуючої температури Тa, тиск пари води при даній температурі P_V в ізобаричному процесі сталий: (6.20). Тобто метод полягає в охолодженні газу, детекції випадання роси та вимірюванні температур Т_a та Т_d. Охолодження здійснюється елементами Пельтьє /Peltier/. Детекцію випадання роси можна здійснювати на холодному боці елемента Пельтьє

оптичними методами (спостерігаючи появу водяних крапель) або ємнісними при вимірюванні зміни ємності між електродною парою (використовують IDT-електроди). Коли відбувається конденсація, ємність між електродами різко зростає завдяки збільшенню діелектричної сталої від 1 (вологе повітря) до 80 (вода). Електрична детекція точки роси має переваги над оптичним методом – малі розміри ємності, простота конструкції та можливість інтеграції з КМОН-технологією. Планарна ємнісна структура виготовляється на тому самому кремнієвому кристалі, що й температурний сенсор. Такі сенсори використовують для контролю вологості у трубопроводах, приміщеннях тощо.

Дата добавления: 2015-01-03