Твердотільні давачі температури та їх практичне використання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.27.01 - Твердотільна електроніка

Твердотільні давачі температури та їх практичне використання

Іларіонов Олег Євгенович

Чернівці 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Політанський Леонід Францович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича.

Офіційні опоненти

доктор фізико-математичних наук, професор Махній Віктор Петрович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича.

кандидат технічних наук, доцент Стахіра Павло Йосипович, Національний університет "Львівська політехніка".

Провідна установа Ужгородський національний університет, фізичний факультет, Міністерства освіти і науки України, м. Ужгород

Захист відбудеться 26 червня 2001 р. о 1500 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 76.051.06 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, Чернівці-12, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за адресою: м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розіслано “25” травня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

1. Загальна характеристика роботи

твердотільний термоперетворювач мідний

Актуальність проблеми. Контроль і регулювання температури з використанням термодавачів має першорядне значення для успішного проведення багатьох технологічних процесів, у яких температура визначає якість виробів. Вимірювання температури має велике значення для зменшення втрат теплової енергії, що особливо актуально у зв'язку з сучасним енергетичним станом у виробництві.

У деяких випадках необхідно виміряти температуру в невеликій зоні, навіть в окремій точці, в інших - визначити температурне поле по площі або об'єму. Часто має місце задача вимірювання температури, що змінюється з плином часу, тобто задача динаміки теплових процесів. При визначенні теплових потоків, зокрема втрат тепла з нагрітих поверхонь, необхідне вимірювання різниць температур у кількох точках в просторі і у часі. Вимірюючи температуру, можна визначити: інтенсивність потоків енергії та речовин, вологість і концентрацію газів, склад рідин і дисперсних речовин, наявності в них домішок і т.ін. Важливу роль при цьому відіграють термодавачі з додатковим нагрівом або охолодженням, які можуть бути багатофункціональними, тобто давач однієї фізичної природи може одночасно вимірювати інші фізичні величини.

В останні роки значно виросли вимоги до приладів контролю і регулювання профілю температурних полів і полів інших фізичних величин, що впливають на процеси передачі та поглинання тепла. Тому більш жорсткими стали вимоги до точності вимірювання малих градієнтів температурних полів, а також малих змін теплоємності, теплопровідності та інших теплофізичних параметрів, що характеризують технологічні середовища та якість промислових виробів.

У технологічних лініях вартість давачів, як первинних перетворювачів інформації, складає 40% вартості всього виробничого обладнання, при цьому більш ніж 30% усіх видів вимірювальних перетворювачів складають температурні давачі, з якими так чи інакше пов'язано біля 60% контрольованих параметрів [1].

Проблема підвищення чутливості та точності термодавачів пов'язана з сертифікацією товарної продукції, яка вимагає якісної та кількісної оцінки їх теплофізичних властивостей. Проте незворотні процеси у термодавачах, які пов'язані з їх старінням і зносом чутливого елемента, приводять до істотних змін їх градуювальних характеристик і, як наслідок, до великих похибок, що прогресують з плином часу.

Тому розробка нових твердотільних високостабільних термодавачів і побудова приладів на їх основі є актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в руслі наукової тематики кафедри радіотехніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича "Радіоелектронні прилади, пристрої та їх елементна база". Роль автора у виконанні даних науково-дослідних робіт полягала у розробці технології виготовлення термодавачів і проведенні експериментальних досліджень їх стабільності.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка малоінерційних лінійних термодавачів з часовою стабільністю характеристик та побудова приладів з їх використанням.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

створення малоінерційних лінійних термоперетворювачів опору;

дослідження часової стабільності характеристик розроблених термоперетворювачів опору;

забезпечення прецизійного градуювання термодавачів;

побудова приладів з використанням розроблених термоперетворювачів опору.

Об'єкт дослідження - контактні давачі температури.

Предметом дослідження є малоінерційні давачі температури та стабільність їх параметрів.

Методи дослідження. Для вимірювання опору термоперетворювачів опору використовували чотирьохпровідний метод. В якості метрологічного забезпечення характеристик градуювання термодавачів застосовували радіочастотний метод вимірювання температури (ЯКР-термометр). Рентгеноструктурними методами визначено параметри гратки речовини, отриманої після дозованого окислення міді. За допомогою методів нелінійної регресії отримано аналітичну залежність опору від швидкості потоку для термоанемометра.

Наукова новизна одержаних результатів у дисертації, полягає в тому, що:

на основі отриманих експериментальних результатів уперше показано, що нанесення захисного титан-вольфрамового шару забезпечує часову стабільність номінального опору терморезистивного шару;

формування додаткового контактного шару міді в термоперетворювачі опору дозволило забезпечити стабільність опору контактів, а також суттєво зменшити паразитну термо е.р.с;

уперше запропоновано проточну систему термостатування термометричної речовини для термометрів, основаних на явищі ядерного квадрупольного резонансу;

з експериментальних даних градуювання термоанемометра отримано аналітичну залежність величини опору перегрітого термодавача від швидкості набігаючого потоку;

вперше запропоновано неруйнівний метод визначення вологості атмосфери всередині корпусів інтегральних схем (ІС).

Практичне значення одержаних результатів.

розроблені термодавачі дозволяють проводити контроль за швидкоплинними температурними процесами;

проточна конструкція термостатування термометричної речовини для ядерного квадрупольного резонансу дає можливість поліпшити співвідношення сигнал/шум при зменшенні лінії зв'язку з генератором-детектором;

розроблено низку приладів з використанням плівкових мідних термоперетворювачів опору: диференційний термометр; цифровий терморезистивний анемометр; вимірювач вологості атмосфери всередині металоскляних, металокерамічних корпусів ІС.

Публікації і особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. За темою дисертації опубліковано 12 наукових робіт: 8 статей (у співавторстві), 4 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах. Список основних публікацій наведено вкінці автореферату. Особистий внесок автора полягає у підготовці зразків 3, 7, 9, проведенні експериментальних досліджень 2, 4-6, обробці результатів1, 8, 10-12. Автор брав активну участь у написанні, обговоренні та оформленні вказаних статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи, що включені до дисертації, доповідались та обговорювались на:

Міжнародній школі-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників. Дрогобич, Україна 23-30 червня 1999 року;

IX-ому Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке” Харків, Україна, 2000.

VII-ій науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. Хмельницький, Україна, 2000.

ІІ-му міжнародному Смакуловому симпозіумі ”Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”. Тернопіль, Україна, 2000.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Загальний обсяг дисертації - 118 сторінок, у тому числі 40 рисунків, 8 таблиць, список використаних літературних джерел зі 120 найменувань на 10 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи стосовно розвитку твердотільних давачів температури, зв'язок роботи з науково-технічними планами та програмами. Сформульовано мету і задачі досліджень.

Перший розділ має оглядовий характер. У ньому розглянуто найбільш поширені контактні засоби вимірювання температури: термоперетворювачі опору, термістори, термометри на основі p-n переходу, термометри з терморезонансними давачами. Розглянуто напрямки удосконалення цих термометрів з огляду досягнення мінімальної інерційності (мала постійна часу), а також низької собівартості давачів при їх високій температурній чутливості. Виявлено, що завдяки використанню принципів мініатюризації та удосконаленню технології виготовлення досягнуто помітного прогресу в створенні приладів, які відповідають зазначеним вимогам, причому найбільшого успіху досягнуто в результаті використання тонкоплівкової технології із застосуванням методів фотолітографії.

Також розглянуто питання високоточних вимірювань температури для метрологічного забезпечення. Найбільш перспективними в даний час слід вважати радіочастотні методи вимірювання температури. За останні роки підвищилась точність радіовимірів і, перед усім, вимірювання частоти. Вимірювання радіочастоти порівняно легко досягається в звичайних умовах з похибкою 0,000001%. З найбільш відомих засобів перетворення температури в сигнал радіочастоти найбільшу точність, стабільність і відтворюванність має ядерний квадрупольний резонанс (ЯКР). У цих приладах термометричним параметром є частота ЯКР, тобто частота, при якій лінія поглинання досягає максимуму.

Показано, що вибрана тема досліджень не повторює відомі роботи, а доповнює їх.

У другому розділі описано розроблену методику виготовлення плівкового мідного термоперетворювача опору. Термочутливий елемент термодавача формується методом фотолітографії на жорсткій ситаловій підкладці. Належну адгезію міді до ситалу забезпечує додаткове нанесення адгезійного шару титан-вольфраму. Плівки титан-вольфраму та міді наносили методом магнетронного розпилення. Перед напилюванням плівки титан-вольфраму проводиться іонне очищення підкладок тліючим розрядом в атмосфері аргону, що дозволяє підвищити якість очищення поверхні підкладки.

У якості захисного шару використовується тонка плівка двоокису кремнію. Забезпечення належної часової стабільності характеристик мідного термоперетворювача опору досягається нанесенням додаткового захисного шару титан-вольфраму між мідним терморезистивним шаром та ізолюючим шаром двоокису кремнію. Товщини адгезійного і захисного шарів титан-вольфраму вибиралися виходячи з міркувань забезпечення належної адгезії і запобіганні окиснювання, з одному боку, а з іншого - забезпечення найменшого шунтування термочутливого шару міді. Експериментальним шляхом встановлено, що товщина захисного шару складає 400-600Е, а адгезійного 600-800Е при товщині термочутливого шару 1,2ч1,5мкм.

Для зменшення розподіленої індуктивності в якості базової топології термоперетворювача опору обрана плоска біфілярна структура, а довжина термочутливого елементу при геометричних розмірах термодавача 6Ч4Ч1 мм3 складає 140 мм.

Захист контактних площинок від підтікання припою, а також забезпечення їх стабільності здійснювали формуванням додаткового контактного шару міді товщиною 2-2,5 мкм.

Після підпайки виводів вся поверхня термоперетворювача опору з частиною провідників покривалася декількома шарами термостійкої емалі.

Дана топологія термоперетворювача опору дозволяє ефективно використовувати його не тільки при постійному, але і при перемінному до 250 - 300 кГц струмах. Остання обставина дозволяє ефективно усунути вплив паразитних термо е.р.с.

Запропоновано ще один з напрямків мініатюризації термодавачів, а саме: використання природних плівкових термоперетворювачів опору на основі шаруватих кристалів, такого як GaSe.

Шаруваті напівпровідники відносяться до структур з різко анізотропними властивостями, які зумовлені зв'язками різної хімічної природи по різних кристалічних напрямках (ковалентна або іонно-ковалентна в шарах і вандервальсівська - між шарами) 2.

Робота термодавача полягає в зміні з температурою поздовжньої провід-ності шарів у комбінаціях зі зміною ефективного перерізу кристала.

Нижні шари кристала ефективно включаються в процес зміни опору давача в тій області температур, де зростає провідність поперечних мостиків. Дослідні зразки розмі-рами 550,05мм3 виготовлялись з монокристала GaSe, вирощеного методом Бріджмена, та навмисно не легованого. Планарні контакти до верхнього шару напівпровідника зроблені за допомогою контактолу.

Аналіз температурних характеристик термодавача на шаруватих кристалах GaSe показав його високу і майже незмінну чутливість у широкому діапазоні температур від гелієвих - до кімнатних.

В якості метрологічного забезпечення для розроблених термоперетворювачів опору використано термометр на основі явища ядерного квадрупольного резонансу (ЯКР). Однією зі проблем у ЯКР-термометрії є забезпечення високого співвідношення сигнал/шум. Одним з шляхів збільшення сигналу є застосування високочутливих генераторів-детекторів, а також максимальне заповнення речовиною котушки коливального контуру. Останнє збільшує час теплової релаксації термометра і створює завади по усуненню градієнтів температури вздовж термометричної речовини. Наявність градієнтів у термометричній речовинні часто виявляється вирішальним не тільки по відношенню до точності вимірювання частоти резонансу, а інколи просто не дозволяє спостерігати сигнали ЯКР (внаслідок надмірного розширення лінії поглинання) 3.

Для зменшення градієнтів температури в термометричній речовині вперше запропоновано проточну систему термостатування. Розроблена проточна система дозволяє термостатувати речовину в діапазоні температур від -1950С до +2500С. У даній конструкції є можливість використовувати два методи термостатування: як метод Свенсона, так і метод примусового обдуву струменем газу з заданою температурою (метод Нокса-Канбера) [4]. При низьких температурах краще термостатувати зразок методом Свенсона, тому що це дає можливість знизити витрати кріоагента. Використання пропорційно-інтегрально-диференційного регулятора дозволило не тільки зменшити час виходу на задану температуру, але й утримувати її на рівні стабілізації з високою точністю [5]. Час виходу на максимальну температуру від кімнатної до 2500С складає ~15-20 хв.

Термометричне тіло виконане у вигляді пустотілого циліндра з зовнішнім діаметром 13мм, внутрішнім - 5мм і висотою 35мм. В якості термометричної речовини використано закис міді, яка має високу термометричну добротність та одну лінію ЯКР- поглинання. Закис міді синтезовано в розробленому реакторі при температурі 1000С у потоці технічного азоту, який містить приблизно 1% кисню.

Розташований на термометричній речовині термоперетворювач опору приводиться в надійний тепловий контакт. Подано зняту за допомогою ЯКР-термометра градуювальну характеристику мідного термоперетворювача опору. Залежність опору від температури для плівкового мідного термоперетворювача опору апроксимується лінійною функцією виду:

R(T)=а+вТ, де а=166.8 Ом, в=0,537096Ом/0С.

Розраховано температурний коефіцієнт опору розробленого плівкового мідного термоперетворювача, який дорівнює пл=0,00322 Ом/0С, а в об'ємного термоперетворювача він дорівнює об=0,00428Ом/0С. Зменшення температурного коефіцієнта опору пояснюється шунтуючим впливом адгезійного та захисного шарів титанфольфраму.

У третьому розділі дано результати дослідження електрофізичних характеристик мідного термоперетворювача опору. Крім електрофізичних характеристик описано результати дослідження часової стабільності мідних плівкових термоперетворювачів.

Доведено доцільність використання додаткового шару титан-вольфрам між шаром міді та захисною плівкою двоокису кремнію. Експериментально показано, що плівка двоокису кремнію не суцільна і має канали, по яких проникає кисень. Для більш повної герметизації використано ще покриття термостійкою емаллю.

Проведено виміри постійної часу (інерційність) мідного термоперетворювача опору, яка дорівнює 1,4с.

При певному коефіцієнті теплообміну, що визначається фізичними властивостями оточуючого середовища і геометричними розмірами термодавача, вольт-амперна характеристика є нелінійною. Нелінійність вольт-амперної характеристики зумовлена саморозігрівом термодавача струмом, що протікає, в результаті чого його опір, в силу додатного температурного коефіцієнта опору, збільшується.

Стабілізація температурних залежностей мідних термоперетворювачів опору здійснювалась проведенням штучного старіння мідних термоперетворювачів опору, а саме: відпалом при температурі 2000С. Температурні залежності залишаються стабільними і після повторних відпалів.

Після виготовлення мідні термодавачі піддавалися різким багаторазовим змінам температури протягом чотирьох років, багатогодинним витримкам при підвищених температурах. За вказаний період плівкові мідні термоперетворювачі опору змінили величину R0 (опір при температурі танення льоду) не більш ніж на 0,05 Ом, що складає 0,0003%.

Окрім стабільності R0 мідних термоперетворювачів опору, було перевірено стабільність хімічної сполуки закису міді яка використовується в ЯКР-термометрі. За допомогою рентгеноструктурного аналізу визначено параметри кристалічної гратки речовини після окислення міді в реакторі. Порівняно рентгенограми свіжовиготовленого та зразків закису міді тридцятирічної давності. Результати порівняння свідчать про високу стабільність параметрів кристалічної ґратки, а відповідно і стабільність закису міді, як хімічної сполуки.

Четвертий розділ присвячено розробці нових приладів з використанням запропонованих плівкових мідних термоперетворювачів опору: диференційний термометр, терморезистивний анемометр з опосередкованим нагрівом термочутливого елемента, а також вимірювач вологості атмосфери всередині металоскляних, металокерамічних корпусів ІС.

Розроблений диференційний термометр дозволяє вимірювати розподіл температури та теплові потоки різних об'єктів з похибкою 0,010С, що дозволяє оцінювати стан об'єкта і прогнозувати його подальшу поведінку. Для зменшення впливу завад, а також усунення дрейфу підсилювачів постійного струму термодавачі працюють на перемінному струмі. Ефективного покращення відношення сигнал/шум у термометрі вдалося досягнути використанням фазочутливої (синхронної) обробки сигналу 6. Структурна схема диференційного термометра подана.

Притаманне синхронним інтеграторам просочування паразитної складової несучої частоти усунуто використанням компенсуючого синхронного інтегратора 7. Підсилений у блоці синхронної обробки, сигнал подається на аналогово-цифровий перетворювач. Результат вимірювання відображається на рідиннокристалічному індикаторі.

Ще одним із прикладів застосування мідних термоперетворювачів опору є використання його в якості термочутливого елемента для термоанемометра. Конструкцією запропонованого термоанемометра з опосередкованим підігрівом передбачено компенсацію температури навколишнього середовища. Лінійність температурної характеристики розробленого мідного термоперетворювача опору дозволяє значно спростити схемотехніку пристрою і зменшити похибки вимірювання, які з'являються внаслідок лінеаризації характеристик чутливих елементів термоанемометрів 8. Структурна схема терморезистивного анемометра подана.

Живлення схеми здійснюється термостабільними джерелами опорної напруги ДОН1 та ДОН2. Джерело ДОН2 служить для живлення нагрівника термодавача (Н). Джерело ДОН1 використовується для формування основного сигналу. Стабілізована ДОН1 напруга є опорною напругою для двох генераторів струму ГС1 та ГС2 живлення компенсуючого та робочого термоперетворювачів опору.

Результуючий сигнал з ПО, підсилюється підсилювачем П1 до рівня, достатнього для роботи логарифмічного підсилювача.

Експериментально було встановлено, що при зміні напруги живлення операційних підсилювачів змінюється і напруга на їх виході. Тому в пристрої використано блок автоматичної корекції нуля (БАКН), який здійснює періодичне коригування напруги зміщення так, щоб при значенні опору робочого терморезистора, що відповідає нульовій швидкості, на його (блока) виході встановлювалась нульова напруга. Процес корекції здійснюється з періодичністю 1-1,5 секунди. На час, коли БАКН здійснює корекцію, наступний блок вибірки та зберігання (БВЗ) підтримує на своєму виході попереднє значення величини сигналу. При переході БАКН до вимірювання сигнал проходить через БВЗ без змін. У цей же час триває процес його запам'ятовування.

Градуювальна характеристика термоанемометра була знята на розробленому ротативному стенді, в якому відсутні складні системи з аеродинамічними трубками. В результаті комп'ютерної обробки результатів градуювання отримано аналітичну залежність опору від швидкості потоку . Отримана функція має вигляд

R(V)=A+Bexp(CV)

з коефіцієнтами A=177.53 Ом; B=38.9 Ом; C= - 0.402 с/м.

Логарифмічний підсилювач перетворює експоненційний сигнал у лінійний. Підбором величини коефіцієнта підсилення П2 досягаємо відповідності показів цифрового дисплею на виході АЦП вимірюваній швидкості повітряних мас.

У промислових умовах вологість атмосфери всередині корпусів інтегральних схем вимірюють методом, який базується на аналізі атмосфери розгерметизованного корпусу ІС за допомогою вторинної іонної масспектроскопії. Це приводить до непридатності виробу для подальшої експлуатації.

У розробленому стенді контролю температури точки роси запропоновано локальне охолодження атмосфери всередині корпусу інтегральних схем (ІС) через окремий електричний вивід. Це дозволило зменшити площу охолоджуваної поверхні всередині корпусу ІС до 11,5мм2 і збільшити товщину локально конденсованого шару вологи до 6мкм.

В якості охолоджуваного пристрою у стенді використано термобатарею (ТБ) 1, яка живиться від регульованого стабільного джерела постійного струму потужністю 50 Вт.

На охолоджувану поверхню ТБ підпаяне металеве гніздо тефлонової касети 2. У це гніздо вставляється один вивід досліджуваної мікросхеми 3. Протилежна поверхня термобатареї припаяна до мідного радіатора 4, який охолоджується по каналах 5 проточною водою. Камера холодильника загальним обсягом близько 12 см3 теплоізольована від зовнішнього середовища пінопластовими оболонками 7 і укладена в герметизуючий металевий екран 6.

Конденсація вологи на охолоджуваному виводі супроводжується зміною ємності між цим виводом і корпусом ІС. Сигнал зміни ємності, що подається на електричну схему, знімається з контакту 8 та контакту, припаяного до охолоджуваної поверхні термобатареї.

Зміна ємності, яка зумовлена конденсацією вологи, реєструється методом биття частоти автоколивання вимірювального та опорного генераторів. Температура конденсації вологи всередині корпусу ІС фіксується в момент зміни частоти.

Точність виміру температури точки роси залежить від режиму охолодження досліджуваного зразка. Абсолютна похибка вимірювання температури, зумовлена конструктивними особливостями холодильної камери, розташуванням давача температури щодо охолоджуваного виводу ІС і зазначеними градієнтами температур, не перевищує половини значення молодшого розряду цифрового індикатора і складає не більш 0,050С. Відносна похибка вимірювання температури в цьому випадку не перевищує 5%, що визначає похибку вимірювання вологості атмосфери в корпусі ІС.

Основні результати та висновки

Необхідність проведення значної кількості вимірів температури в різних технологічних процесах з урахуванням дороговизни існуючих термодавачів зумовило постановку питання про розробку технологічних, стабільних і дешевших термодавачів. Відомі плівкові термоперетворювачі на основі платини характеризуються значною собівартістю.

В даній роботі в якості терморезистивного матеріалу використано більш дешевий матеріал - мідь. У процесі виконання роботи отримано такі результати та сформульовано такі висновки:

Створено малоінерційний мідний плівковий термоперетворювач опору, який має значно меншу масу і розміри у порівнянні з стандартними об'ємними мідними термоперетворювачами, і відповідно, - меншу постійну часу вимірювання.

Температурна залежність розробленого плівкового мідного термоперетворювача опору апроксимується лінійною функцією виду: R(T)=а+вТ, для даного термоперетворювача опору коефіцієнти такі: а=166.8 Ом, в=0.537096 Ом/0С

Проведені експериментальні дослідження параметрів свідчать, що розроблені мідні термоперетворювачі опору протягом чотирьох років практично не змінили своїх параметрів перебуваючи під впливом різких змін температури. Отримана стабільність пояснюється високим ступенем захисту мідного термочутливого елемента додатковим титан-вольфрамовим захисним шаром, який є розкислювачем за своєю природою.

На основі розроблених термодавачів створено низку приладів: диференційний термометр; терморезистивний анемометр з опосередкованим нагрівом термочутливого елементу; вимірювач вологості атмосфери в середині корпусів ІС. Розроблений вимірювач вологості атмосфери всередині металоскляних і металокерамічних корпусів ІС схем побудовано на неруйнівному методі визначення вологості, на відміну від методів, які базуються на аналізі атмосфери розгерметизованного корпусу ІС за допомогою вторинної іонної масспектроскопії.

Комп'ютерною обробкою експериментальних даних градуювання терморезистивного анемометра отримано аналітичну залежність величини опору перегрітого термодавача від швидкості набігаючого потоку, що дозволило суттєво спростити схемотехніку лінеаризації цієї залежності.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є., Хандожко О.Г. Підвищення чутливості давача для ЯКР-термометра// Науковий вісник ЧДУ, Фізика №29, 1998. - С.144-149

2. Брайловський В.В., Жук О.П., Іларіонов О.Є. Лінеаризатор характеристик вимірювальних перетворювачів// Науковий вісник ЧДУ, Фізика №30, 1998. - С.146-151

3. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є., Калинюк В.В. Технологія виготовлення тонкоплівкових термоперетворювачів опору// Науковий вісник ЧДУ, Фізика №32, 1998. - С.86-88.

4. Брайловський В.В., Федоренко А.П., Борін В.П., Іларіонов О.Є. Стенд градуювання термоанемометрів// Науковий вісник ЧДУ, Фізика №50, 1999. - С.82-84.

5. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є. Градуювання термоанемометрів// Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників. Дрогобич (Україна), 1999. - С.97

6. Жук О.П., Іларіонов О.Є., Шпатар П.М. Термостат діапазону 30-200С// 4-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке” Харьков (Украина), 2000.- С.117-118

7. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є. Малоінерційний лінійний давач температури// ІІ-й міжнародний Смакуловий симпозіум ”Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”. м.Тернопіль (Україна), 2000. - С.201-202

8. Брайловський В.В., Григораш І.О., Іларіонов О.Є., Хандожко О.Г. Виявлення азоту в речовинах методом ЯКР// ІІ-й міжнародний Смакуловий симпозіум ”Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”. м.Тернопіль (Україна), 2000.-С.199-200.

9. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є. Мініатюрний мідний термоперетворювач опору// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: збірник наукових праць. Випуск №7 - Хмельницький: ТУП, 2000.- С.97-99.

10. Брайловський В.В., Іларіонов О.Є. Терморезистивний анемометр// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2000. №1.-С. 170-171.

11. Воробец Г.И., Жук О.П., Иларионов О.Е., Танасюк В.С., Шпатар П.М. Стенд измерения влажности внутрикорпусной атмосферы изделий электронной техники// Приборы и техника эксперимента. №2, 2001.-С146-149.

Ключові слова: давачі температури, термоперетворювачі опору, ядерний квадрупольний резонанс, рентгеноструктурний аналіз, закис міді, термоанемометр, точка роси.

Аннотация

Диссертация посвящена разработке конструкции и технологии изготовления твердотельных датчиков температуры. Разработано медный термопреобразователь сопротивления с использованием тонкопленочных технологий. Нанесение адгезионного, терморезистивного и защитного слоев осуществлялось методом магнетронного распыления. Предварительная ионная очистка поверхности подложки тлеющим разрядом улучшила адгезионные свойства и повысила качество напыляемых пленок. Уменьшение распределенной индуктивности обеспечивали использованием плоской бифилярной структуры, при геометрических размерах 6Ч4Ч1 мм3 датчика длина термочувствительного элемента составляет 140 мм. Предложенная топология термопреобразователя сопротивления позволяет использовать его не только при постоянном, но и при переменном до 250 - 300 кГц токах. Это обстоятельство позволяет эффективно устранить влияние паразитных термоэдс. Особое внимание уделено обеспечению временной стабильности параметров разработанных медных термопреобразователей сопротивления. Стабильность R0 (сопротивление при температуре 00С) разрабатываемых медных термопреобразователей сопротивления обеспечивается нанесением адгезионного и защитного слоев титан-вольфрама. Результаты проверки стабильности R0 пленочных медных термопреобразователей сопротивления показали, что за четыре года они изменили сопротивление на 0,05 Ом, что составляет 0,0003%. В качестве метрологического обеспечения градуировки термодатчиков использован термометр, который основан на явлении ядерного квадрупольного резонанса. Впервые предложено проточную конструкцию термостатирования термометрического вещества для датчика ЯКР-термометра. В качестве материала термометрического вещества была использована закись меди Cu2O. Cu2O была синтезирована при 1000С в потоке технического азота, содержащего примерно 1% кислорода. Сравнение рентгенограмм свежеизготовленного и образцов закиси меди тридцатилетней давности свидетельствуют о высокой стабильности параметров кристаллической решетки, а соответственно и стабильности закиси меди как химического соединения.

На основе разработанных термодатчиков разработан ряд приборов: дифференциальный термометр; терморезистивный анемометр с опосредствованным нагревом термочувствительного элемента; измеритель влажности атмосферы внутри корпуса интегральных схем (ИС). Разработанный измеритель влажности атмосферы внутри металлостеклянных и металлокерамических корпусов ИС построен на не разрушающем методе определения влажности в отличие от методов, которые базируются на анализе атмосферы разгерметизированного корпуса ИС с помощью вторичной ионной масспектроскопии.

Компьютерной обработкой экспериментальных данных градуирования терморезистивного анемометра получена аналитическая зависимость величины сопротивления перегретого термодатчика от скорости набегающего потока, что позволило существенно упростить схемотехнику линеаризации этой зависимости.

Ключевые слова: датчики температуры, термопреобразователи сопротивления, ядерный квадрупольный резонанс, рентгеноструктурный анализ, закись меди, термоанемометр, точка росы.

Annotation

Ilarionov O.E. Solid-state temperature sensors and their practical application. - Manuscript.

Thesis for the academic degree of Candidat of Technical Science by speciality 05.27.01 - solid-state electronics. - Chernivtsi National University named after Yu. Fedkovych, Chernivtsi, 2001.

The paper deals with elaboration of design and technology of solid-state temperature sensors. Cupric resistance thermoelement was created using thin-film technology. Special attention was paid to examination of their time stability. NQR-thermometer was used as a metrological tool. As a thermometrical substance cupric protoxide was used. Comparison of roentgenogram of green samples of cupric protoxide and 30 tears old ones testify to high stability of lattice parameters and accordingly stability of cupric protoxide as a chemical compound.

On basis of created temperature sensors several devices were made: differential thermometer, thermoresistance anemometer with mediate heating of thermosensitive element, humidity meter inside IC.

Key words: temperature sensors, thermoelements, nuclear quadrupole resonance, X-ray analysis, cupric protoxid, thermoanemometer, drop point.

Размещено на Allbest.ru