Терморезистивные датчики: Датчики и сенсоры онлайн журнал

Содержание

Датчики и сенсоры онлайн журнал

 

 

Перед началом изучения этого раздела желательно ознакомиться с разделом 3.5.2 главы 3.

Хамфри Дэви еще в 1821 году заметил, что электрическое сопротивление различных металлов зависит от температуры [1]. Вильям Сименс в 1871 году разработал первый платиновый резистивный термометр. А в 1887 году Хью Каллендар опубликовал статью [2], в той он описал способы практического применения платиновых термометров. Достоинствами терморезистив-ных сенсоров являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность. Такие датчики можно разделить на три подгруппы: РДТ, детекторы на р-n переходах и термисторы.
Резистивные детекторы температуры Этот термин обычно относится к металлическим детекторам, которые бывают проволочными и тонкопленочными. Поскольку удельное сопротивление всех металлов и большинства сплавов зависит от температуры, на их основе можно разрабатывать чувствительные элементы для измерения температуры (см.
Приложение). Хотя для изготовления температурных детекторов подходят практически все металлы, но все же, в основном, для этих целей используется только платина. Это объясняется воспроизводимостью ее характеристик, долговременной стабильностью и прочностью. Для измерения температур выше 600°С применяются вольфрамовые РДТ. Все РДТ обладают положительными температурными коэффициентами. Выпускаются несколько типов РДТ: 1. Тонкопленочные РДТ, изготовленные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на подходящую подложку, к примеру, на кремниевую микромембрану. РДТ часто формируются в виде серпантинной структуры для получения высокого отношения длины к ширине 2. Проволочные РДТ, в которых платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея. Такая конструкция позволяет изготавливать датчики, обладающие очень высокой стабильностью. В соответствии с Международной практической температурной шкалой (IPTS-68) прецизионные датчики температуры должны калиброваться при температурах, определяемых воспроизводимыми равновесными состояниями некоторых материалов.
В этой шкале температуры в Кельвинах обозначаются символом T6g, а в градусах Цельсия — t№. Международный Комитет по Весам и Мерам в сентябре 1989 года принял новую Международную температурную шкалу (1TS-90). В ней температура в градусах Цельсия обозначается как ?90. В таблице 16.2 приведены различия между этими двумя шкалами, которые важны при проведении прецизионных измерений. Таблица 16.1. Эталонные температурные точки
Описание точки °с
Тройная точка водорода -259,34
Точка кипения нормального водорода -252,753
Тройная точка кислорода -218,789
Точка кипения азота -195,806
Тройная точка аргона -189,352
Точка кипения кислорода -182,962
Точка сублимации углекислого газа -78,476
Точка замерзания ртути -38,836
Тройная точка воды 0,01
Точка замерзания воды (смеси воды и льда) 0,00
Точка кипения воды 100,0
Тройная точка бензольной кислоты 122,37
Точка замерзания индия 156,634
Точка замерзания олова 231,968
Точка замерзания висмута 271,442
Точка замерзания кадмия 321,108
Точка замерзания свинца 327,502
Точка замерзания цинка 419,58
Точка замерзания сурьмы 630,755
Точка замерзания алюминия 660,46
Точка замерзания серебра 961,93
Точка замерзания золота 1064,43
Точка замерзания меди 1084,88
Точка замерзания никеля 1455
Точка замерзания палладия 1554
Точка замерзания платины 1769
16 1 терморезистивные датчики 475 Таблица 16. 1. Эталонные температурные точки
Описание точки °с
Тройная точка водорода -259,34
Точка кипения нормального водорода -252,753
Тройная точка кислорода -218,789
Точка кипения азота -195,806
Тройная точка аргона -189,352
Точка кипения кислорода -182,962
Точка сублимации углекислого газа -78,476
Точка замерзания ртути -38,836
Тройная точка воды 0,01
Точка замерзания воды (смеси воды и льда) 0,00
Точка кипения воды 100,0
Тройная точка бензольной кислоты 122,37
Точка замерзания индия 156,634
Точка замерзания олова 231,968
Точка замерзания висмута 271,442
Точка замерзания кадмия 321,108
Точка замерзания свинца 327,502
Точка замерзания цинка 419,58
Точка замерзания сурьмы 630,755
Точка замерзания алюминия 660,46
Точка замерзания серебра 961,93
Точка замерзания золота 1064,43
Точка замерзания меди 1084,88
Точка замерзания никеля 1455
Точка замерзания палладия 1554
Точка замерзания платины 1769
Типичные допуски для проволочных РДТ равны ±10 МОм, что соответствует ±0. 025°С. Для обеспечения высокой точности измерений необходимо тщательно проектировать корпус РДТ, уделяя особое внимание его теплоизоляции. Это особенно важно при проведении измерений на высоких температурах, когда сопротивление изоляции резко падает. к примеру, резистор 10-М Ом при температуре 550°С обладает погрешностью порядка 3 МОм, что соответствует температурной ошибке: — 0.0075°С .
Кремниевые резистивные датчики Кремний широко используется для изготовления сенсоров 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, к примеру, 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 главы 18). 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 сопротивление кремния имеет ПТК, а при температурах выше 200°С он становится отрицательным. KTY датчик 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 того 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: Рис. 16.5. Передаточная функция кремниевого датчика температуры где R и Т — сопротивление в Омах и температура в Кельвинах, измеренные в эталонной точке. к примеру, рабочий диапазон сенсоров KTY-81 составляет — 55…+150°С, А = 0.007874К1, В =1.874×10»5К2. На рис. 16.5 отображена типовая передаточная функция кремниевого резистивного датчика.
.

  Список тем   Назад   Вперед

 

 

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

 

По вопросам размещения статей   пишите на email:

[email protected] ru

 

 

Измерение температуры и датчики температуры. Часть 3. RTD — резистивные термодатчики | Разумный мир

У этого типа датчиков есть несколько названий. Зарубежное сокращение RTD — Resistance Temperature Detector. Наше сокращение РДТ — Резистивные датчики температуры. Термопреобразователи сопротивления. Термометры сопротивления.

Очень важно отличать данный тип датчиков, измерительных элементов, от термисторов. Они действительно похожи, но только на первый взгляд. О термисторах речь пойдет в следующей статье.

Как устроен и работает терморезистивный датчик

Довольно просто. В большинстве случаев такие датчики изготавливают из очень тонкой платиновой проволоки или пленки. А это автоматически делает их далеко не самыми дешевыми. Платина металл дорогой. Поэтому сегодня чаще изготавливают тонкопленочные варианты датчиков, когда на керамической подложке наносится дорожка из пленки платины

Устройство терморезистивных датчиков

Устройство терморезистивных датчиков

То есть, терморезистивный датчик можно считать обычным проволочным или тонкопленочным резистором, но изготовленным из платины. Вообще, терморезистивный датчик можно изготовить не только из платины, но и других металлов. Платина была выбрана из-за термостойкости и линейности изменения сопротивления.

Работа терморезистивных датчиков основана на зависимости удельного сопротивления материала, из которого изготовлен датчик, от температуры

Упрощенная формула зависимости удельного сопротивления от температуры.

Упрощенная формула зависимости удельного сопротивления от температуры.

Эта формула верна для относительно небольшой разницы температур. И здесь хорошо видно, что зависимость удельного сопротивления от температуры линейная. Для полного диапазона температур все немного сложнее, но об этом позже.

Существует несколько стандартных сопротивлений резистивных термодатчиков, которые измеряются при 0 градусов Цельсия. Чаще всего встречаются датчики с сопротивлением 100 Ом и 1 кОм.

Чувствительность и линейность

При 20 градусах Цельсия ТКС платины равен примерно 3927 ppm/K, или 0. 003927. Это и определяет чувствительность датчиков.

Нельзя считать ТКС неизменным и равным приведенному выше значению. Он зависит от многих факторов, включая технологические. Например для датчиков серии M213 производства Heraeus Sensor Technology в документации указан ТКС=3850 ppm/K. А для датчиков серии HEL-700 производства Honeywell в документации указан разный ТКС, для датчиков сопротивлением 100 Ом ТКС= 0.00385, а для датчиков сопротивлением 1 кОм ТКС=0.00375.

Более того, от температуры зависит не только удельное сопротивление, но и ТКС. А значит, характеристика датчиков не совсем линейная. Но по сравнению с характеристикой термопар ее все таки можно считать образцом линейности.

Зависимость сопротивления датчика от температуры, для датчиков серии HEL-700. Из документации

Зависимость сопротивления датчика от температуры, для датчиков серии HEL-700. Из документации

На этой иллюстрации видно, хоть и не очень хорошо, нелинейность зависимости сопротивления от температуры.

Дело в том, что зависимость удельного сопротивления от температуры включает в себя и другие коэффициенты, причем зависящие от более высоких степеней температуры

Зависимость удельного сопротивления от температуры для датчиков семейства HEL-700. Коэффициенты α, β, δ приведены для датчика сопротивлением 100 Ом. По данным Honeywell. За Т0 принята температура 0 градусов Цельсия.

Зависимость удельного сопротивления от температуры для датчиков семейства HEL-700. Коэффициенты α, β, δ приведены для датчика сопротивлением 100 Ом. По данным Honeywell. За Т0 принята температура 0 градусов Цельсия.

Для положительных температур коэффициент β=0. А значит, полином ограничивается квадратом температуры. В других источниках полином может выглядеть немного иначе. Например, часто исключается зависимость от четвертой степени температуры.

Коэффициент b на 4 порядка меньше коэффициента а. А коэффициент с меньше на 9 порядков. То есть, их влияние незначительно и проявляется действительно при высоких температурах.

А значит, линейность терморезистивных датчиков действительно довольно высокая, что иногда позволяет отказаться от лианеризации.

Таблица зависимости сопротивления датчика от температуры часто приводится в документации на датчик. При этом существуют и стандартизованные таблицы (International Industrial Standard IEC 60751): Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000, Pt2000. Число это номинальное сопротивление датчика в Омах.

Измерение температуры с помощью терморезистивных датчиков

Довольно очевидно, что измерение температуры сводится к измерению сопротивления датчика. То есть, достаточно простого омметра? Не все так просто. И дело даже не в том, что чувствительность датчика не высока, а значит, нужен омметр с растянутой шкалой.

Просто, как и всегда, появляется старательно прячущийся в деталях дьявол. Давайте рассмотрим две основные проблемы, которые новички часто упускают из виду, и некоторые пути их решения.

Проблема первая, сопротивление соединительных проводов

Датчик температуры совершенно не обязательно устанавливается на той же печатной плате, что и схема измерения. И расстояние между датчиком и схемой измерения может быть большим. А значит, у нас появляются соединительные проводники. Примерно так

Схема (неверная) измерения температуры с помощью RTD с учетом соединительных проводников. Иллюстрация моя

Схема (неверная) измерения температуры с помощью RTD с учетом соединительных проводников. Иллюстрация моя

Здесь RTD это датчик температуры, а Rпр это сопротивление проводников. Поскольку для измерения температуры нам надо измерять сопротивление датчика, схема измерения показана в виде омметра.

На самом деле, тут не одна проблема, а сразу несколько. Самая очевидная — измеряемое омметром сопротивление теперь включает в себя и сопротивление проводов. А значит, мы не можем пользоваться таблицей температура-сопротивление из документации на датчик.

На первый взгляд, проблема не сложная, так как сопротивление проводов постоянно и его легко учесть. Но при более внимательном рассмотрении выясняется, что сопротивление проводов тоже зависит не только от их длины, но и от температуры. Причем температура соединительных проводников может быть разной по длине провода.

Эту проблему можно решить двумя основными способами. Первый, классический, использование мостовой схемы измерения, что позволяет скомпенсировать сопротивление проводов и, в некоторых случаях, их ТКС. Второй, использовать четырехпроводную схему подключения датчика.

В первом случае усложняется схема, зато датчик подключается по прежнему по 2 проводам. Во втором случае схема проще, а точность выше (компенсация лучше), но требуется в два раза больше соединительного кабеля.

Мостовая схема включения датчика

Мостовая схема включения датчика. Цепи обратной связи усилителя не показаны.

Мостовая схема включения датчика. Цепи обратной связи усилителя не показаны.

Это настолько классическая схема, что она вряд ли нуждается в особых комментариях. Здесь R1 это наш резистивный датчик температуры. Условно, можно считать, что его сопротивление равно R+ΔR. E это напряжение питания моста.

Условие баланса моста R1/R3=R2/R4, при этом выходное напряжение равно нулю. Изменяя сопротивление резистора R2 мы можем сбалансировать мост при нулевой температуре, что бы учесть влияние соединительных проводов до датчика. После этого на баланс моста будет влиять только ΔR. То есть, сопротивление соединительных проводов будет скомпенсировано.

Но не их ТКС. Для компенсации ТКС можно последовательно с R2 включить терморезистор. Но он скомпенсирует влияние температуры только в точке установки.

Другой особенностью такой схемы включения датчика, о которой редко вспоминают, является нелинейность передаточной характеристики.

Передаточная характеристика мостовой схемы измерения при питании моста от источника напряжения и равенстве сопротивления всех плеч

Передаточная характеристика мостовой схемы измерения при питании моста от источника напряжения и равенстве сопротивления всех плеч

Здесь сопротивление всех плеч моста принято одинаковым и равным R. Можно питать мост не от источника напряжения, а от источника тока. Это позволит снизить нелинейность в два раза. Я не буду приводить формулу для этого случая.

Передаточную характеристику можно сделать линейной немного изменив схему моста

Измерительный мост с линейной передаточной характеристикой

Измерительный мост с линейной передаточной характеристикой

Однако, в этой схеме ТКС соединительных проводов по прежнему остается нескомпенсированном. Существует вариант подключения датчика к мосту по 3-проводной схеме, однако и в этом случает ТКС оказывается не полностью скомпенсированным.

4-проводное подключение датчика (подключение Кельвина)

Идея такого подключения очень проста, разделить силовые и сигнальные провода

4-проводная схема подключения датчика. Цепи обратной св/зи усилителя не показаны.

4-проводная схема подключения датчика. Цепи обратной св/зи усилителя не показаны.

Здесь I это ток источника тока питающий датчик, а Rпр это сопротивление соединительных проводов.

При таком включении сопротивление соединительных проводов (в разумных пределах) не оказывает влияния на падение напряжения на сопротивлении датчика. А значит, скомпенсированным оказывается и ТКС проводов.

По сути, эту схему можно рассматривать как дифференциальный вольтметр, измеряющий падение напряжения на датчике от стабильного тока формируемого источником тока в схеме измерения.

Проблема вторая, саморазогрев датчика

А вот об этой проблеме новички вспоминают довольно редко! Поэтому рассмотреть ее надо обязательно.

Дело в том, что протекающий через датчик (в процессе измерения сопротивления) ток не только вызывает падение напряжения на нем, но и приводит к выделению на нем мощности, которая и приводит к нагреву датчика. А это искажает результат измерения температуры.

Насколько будут искажены результату измерения? Что бы дать точный ответ нужно учесть тепловые параметры среды измерения и тепловые сопротивления между ней и измерительным элементом датчика.

Поскольку производитель датчика не знает условия его применения, документации указывается лишь коэффициент саморазогрева, который по сути является тепловым сопротивлением измерительный элемент-среда.

Так для уже упоминавшегося датчика серии M213 производства Heraeus Sensor Technology коэффициент саморазогрева равен 0.6К/мВт при 0 градусов Цельсия. Давайте оценим погрешность датчика сопротивлением 100 Ом при токе 10 мА. Выделяющаяся на датчике мощность при таком токе будет равна 10 мВт. А это даст погрешность измерения 6 градусов!

Можно ли избавиться от погрешности сделав цикл измерения коротким, а сами измерения редкими? В общем случае, нет. Во всяком случае, для современных тонкопленочных датчиков. Их тепловая инерция мала, поэтому разогрева собственно измерительного элемента полностью избежать не получится.

Поэтому, для уменьшения погрешности из-за саморазогрева ток через датчик должен быть ограничен. Так для датчика сопротивлением 100 Ом, который мы и рассматривали, рекомендуемый ток лежит в пределах 0.3-1.0 мА (по документации). А для датчика сопротивлением 1 кОм рекомендуемый ток лежит в пределах 0.1-0.3 мА.

Кстати, явление саморазогрева датчика температуры в процессе измерения касается не только резистивных датчиков температуры. Оно касается и полупроводниковых датчиков, и датчиков с цифровым выходом. Причем в датчиках с цифровым выходом ощутимый вклад в саморазогрев вносит собственно схема преобразования и формирования выходного сигнала. И если измерительный элемент находится на одном кристалле со схемой обработки (как в DS1820), то при высокой частоте опроса датчика он начинает выдавать неверные данные. И это не неисправность датчика, это ошибка разработчика устройства, которое измеряет температуру (а не разработчика датчика).

Заключение

Резистивные датчики температуры являются точными и линейными для очень многих применений. Использовать их проще, чем термопары. Но они обладают меньшим диапазоном измеряемых температур. Для них не нужна компенсация опорной температуры (опорного спая), но нужно следить за саморазогревом. При этом цена датчиков относительно высокая (платина) и они являются аналоговыми.

И еще раз хочу заметить, что резистивные датчики температуры не надо путать с термисторами.

Датчики температуры: схемы, виды, устройство

Подобные устройства на сегодняшний день присутствуют в подавляющем большинстве техники. Различные виды датчиков температуры предназначены для измерения данного показателя у какого-либо объекта или вещества. Для вычисления значения применяются различные характеристики целевых тел или среды, в которой они находятся.

Классификация по принципу работы

Все термодатчики подразделяются на шесть основных типов по принципу их действия:

  • пирометрические;
  • пьезоэлектрические;
  • терморезистивные;
  • акустические;
  • термоэлектрические;
  • полупроводниковые.

Общий принцип работы и схема датчиков температуры в каждом случае будет несколько отличаться. Однако у всех вариантов исполнения можно выделить некоторые одинаковые черты. Кроме того, в той или иной ситуации уместно применять именно определенные разновидности термодатчиков.

Пирометры или тепловизоры

Иначе их можно назвать бесконтактными. Рабочая схема датчика температуры такого типа состоит в том, что они считывают тепло от нагретых тел, на которые наводятся. Положительным моментом для этой разновидности является отсутствие необходимости в непосредственном контакте и приближении к среде измерения. Таким образом специалисты с легкостью устанавливают температурные показатели сильно горячих объектов вне радиуса опасной близости с ними.

Пирометры, в свою очередь, подразделяются на несколько разновидностей, среди которых можно отметить интерферометрические и флуоресцентные, а также датчики, работающие по принципу смены цвета раствора в зависимости от того, какая температура была замерена.

Пьезоэлектрические датчики

В данном случае заложенная в основу схема работы всего лишь одна. Такие устройства функционируют за счет кварцевого пьезорезонатора. Принцип же действия и схема датчика температуры заключаются в следующем. Пьезоэффект, включающий в себя изменение размеров используемого пьезоэлемента, подвергается определенному воздействию электрического тока.

Суть работы достаточна проста. Благодаря попеременной подаче электрического тока с разными фазами, но одинаковой частотой, происходят колебания пьезогенератора, частота которых зависит при этом от конкретной измеренной температуры тела или среды. В результате полученная информация интерпретируется в конкретные значения в градусах Цельсия или Фаренгейта. Подобный тип отличается одной из самых высоких точностей измерения. Кроме того, применяется пьезоэлектрический вариант в тех ситуациях, где требуется долговечность устройства, к примеру, в датчиках температуры воды.

Термоэлектрические или термопары

Достаточно распространенный способ измерения. Основной принцип работы заключается в возникновении в замкнутых контурах проводников или полупроводников электрического тока. При этом места спайки должны обязательно различаться по температурным показателям. Один конец помещается в ту среду, где нужно произвести замер, а второй служит для снятия показаний. Именно поэтому данный вариант считается выносным датчиком температуры.

Конечно же, не обошлось и без определенных недостатков. Самым значительным из них можно назвать весьма большую погрешность при измерениях. По этой причине такой способ редко применяется на многих технологических производствах, где такой разброс значений попросту недопустим. В качестве примера можно привести датчик для измерения температуры твердых тел «ТСП Метран-246». Его активно используют металлургические компании на производстве для контроля за данным параметром у подшипников. Устройство оборудовано аналоговым выходным сигналом для считывания, а диапазон допустимых измерений находится в пределах от -50 до +120 градусов по Цельсию.

Терморезистивные датчики

О принципе действия можно судить уже по названию данного типа. Функционирование такого датчика температуры по схеме поддается следующему описанию: измерению подвергается сопротивление проводника. Надежность конструкции сочетается с очень высокой точностью получаемых сведений. Также данные устройства отличаются довольно высокой чувствительностью, что позволяет уменьшить шаг измерений значений, а простота считывающих элементов делает их легкими в эксплуатации.

Для примера можно упомянуть датчик 700-101BAA-B00, имеющий начальное сопротивление в 100 Ом. Его измерительный диапазон находится в пределах от -70 до 500 градусов по Цельсию. Конструкция собрана из никелевых контактов и платиновых пластин. Наиболее широкое применение такой тип получил в промышленных устройствах и самой разнообразной электронике.

Акустические датчики

Крайне простые приборы, занимающиеся измерением скорости звука в различных средах. Известно, что этот параметр во многом зависит от температуры. При этом следует учитывать и другие параметры измеряемой среды. В качестве одного из сценариев использования можно назвать измерение температуры воды. Датчик выдает данные, на основе которых можно сделать расчет, для которого также понадобится знать изначальные сведения об измеряемой среде.

Преимуществами такого метода считается возможность использования его в закрытых емкостях. Обычно используется там, где нет прямого доступа к измеряемой среде. Основные сферы-потребители данного способа по вполне закономерным причинам — это медицина и промышленность.

Полупроводниковые датчики

Принцип функционирования таких устройств заключается в изменении p-n характеристик и их перехода под воздействием температуры. Точность измерения весьма высока. Это обеспечивается постоянством зависимости напряжения на транзисторе от текущей температуры. Кроме того, прибор достаточно дешевый и простой в производстве.

Для примера подобного датчика температуры устройство LM75A может послужить как нельзя лучше. Диапазон измерений составляет от -55 до +150 градусов по Цельсию, а погрешность — не более двух градусов. Обладает также достаточно небольшим шагом порядка 0,125 градуса по Цельсию. Напряжение питания варьируется в пределах от 2,5 до 5,5 В, при этом время преобразования сигнала не превышает одной десятой доли секунды.

Датчики температуры :: Системы отопления водоснабжения :: Статьи :: Сибирское Инженерное Бюро

Контроль над температурой составляют основу многих технологических процессов. Измерение температуры жидкости, газа, твердой поверхности или сыпучего порошка – каждый случай имеет свою особенность, которую необходимо понимать, чтобы измерения максимально соответствовали поставленной задаче. Существует множество датчиков температуры, построенных с использованием различных физических законов. Одни из них прекрасно справляются с конкретной задачей по измерению температуры, другие предназначены для универсального использования. В данной статье описаны основные типы датчиков для измерения температуры, их особенности, слабые и сильные стороны, задачи, для которых они предназначены.

 

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термометры сопротивления, инфракрасные датчики температуры.

 

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от -50 С до +150 С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор. Большим плюсом можно назвать большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных. Из слабых мест кремниевых датчиков температуры можно отметить узкий температурный диапазон и относительно большие размерами по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры поверхности, температуры воздуха, особенно внутри различных электронных приборов. Например можно назвать температурные регистраторы компании Dallas semiconductor выпускаемые под маркой THERMOCHRON. Регистраторы имеют кремниевый датчик температуры, микросхему обработки сигнала и память для сохранения результатов.

 

Биметаллический датчик температуры, как следует из названия, сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собою. Различные металлы имеют различный коэффициент расширения при той или иной температуре. Например, константан практически не расширяется при температуре, железо, напротив испытывает заметное расширение. Если полоски из этих металлов скрепить между собой и нагреть (или охладить), то они изогнутся. В биметаллических датчиках пластинки замыкают или размыкают контакты реле, или двигают стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков от -40 С до +550 С. Биметаллические датчики используют для измерения поверхности твердых тел, реже для измерения температуры жидкости. Основным преимуществом датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость. Вместе с тем, биметаллические датчики температуры имеют большой разброс характеристик, а так же большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах. Основные области применения биметаллических температурных датчиков – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

 

Жидкостные и газовые термометры наиболее старые типы датчиков температуры. Первая шкала температуры была предложена Фаренгейтом в начале 18-го века именно для жидкостного термометра. Жидкостные термометры используют эффект расширения жидкостей при повышении температуры. В качестве жидкостей используется спирт или ртуть в диапазоне комнатных температур. Для измерений низких температур, например в криогенной технике, может быть использован жидкий неон, а для измерения высоких температур обычно используют галлий, который находится в жидком состоянии уже от 20 С. В газовых термометрах используется эффект расширения, при переходе вещества из жидкого в газообразное состояние. Газ давит через мембрану и замыкает электрические контакты. Диапазон измерений для жидкостных и газовых термометров от -200 С до +500 С. Термометры этого класса обычно применяются для визуального контроля температуры, либо в качестве термостатов в различных нагревателях и холодильной технике.

 

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Такое изменение цвета может быть как обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур используются термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения эти, как правило, обратимые. Производятся они в виде пленки, часто с клейкой подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры. Для низких и высоких температур производятся в основном необратимые термоиндикаторы. То есть, если температура хотя бы один раз превысила допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет. Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля за замороженными продуктами. Если в процессе хранения или транспортировки температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска термоиндикатора сообщит об этом. Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно использовать как одноразовые датчики температуры.

 

Термисторы. В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры. Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью. Однако большая нелинейность позволяет использовать термисторы лишь в узком диапазоне температур. Термисторы имеют невысокую стоимость и могут изготавливаться в миниатюрных корпусах, позволяя увеличить тем самым быстродействие. Существует два типа термисторов, использующих положительный температурный коэффициент – когда электрическое сопротивление растет с повышением температуры и использующих отрицательный температурный коэффициент – здесь электрическое сопротивление падает при повышении температуры. Термисторы не имеют определенной температурной характеристики. Она зависит от конкретной модели прибора и области его применения. Основными достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры в различные приборы. К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне низких температур. Большое количество моделей с различными характеристиками и отсутствие единого стандарта, заставляет производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.

 

Инфракрасные датчики температуры или пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур бесконтактными датчиками от -45 С до +3000 С. Причем в диапазоне высоких температур инфракрасным датчикам нет конкуренции. Для измерения в различных диапазонах температур используются различные участки инфракрасного спектра. Так при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 7 – 14 микрон. В диапазоне средних температур это может быть 3 – 5 микрон. При высоких температурах используется участок о районе 1 микрон. Однако и здесь есть свои особенности, связанные с решением конкретной задачи. Так для измерения температуры тонких полимерных пленок используются датчики, работающих на длинах волн 3,43 или 7,9 микрометров, а для измерения температуры стекла используют датчики, работающие в диапазоне 5 микрон. Для правильного измерения температуры необходимо еще ряд факторов. Прежде всего это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 – R, где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения. У абсолютно черного теля излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные напротив имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательую способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 С. Корректировать излучательную способность можно определив ее для различных материалов по справочнику, либо измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки. Хорошие результаты при не очень высоких температурах дает окраска специальной термостойкой, черной краской измеряемой поверхности. Второй важной характеристикой инфракрасного датчика является оптическое отношение – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области с которой эти измерения ведутся. Например оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры составляет 1 метр. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1. Основные достоинства инфракрасных датчиков температуры: малое время отклика. Это самые быстродействующие датчики температуры. Возможность измерения температуры движущихся объектов. Измерения температуры в труднодоступных и опасных местах. Измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают. К достоинствам можно отнести то, что отсутствует непосредственный контакт с объектом и соответственно не происходит его загрязнения. Это может быть важно в полупроводниковой промышленности или фармацевтике.

 

Термометры сопротивления это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Медь используется в основном для измерения низких температур, а никель в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур. Для защиты от внешней среды платиновые термометры сопротивления помещают в защитные металлические чехлы и изолируют керамическими материалами, такими как оксид алюминия или оксид магния. Такая изоляция снижает так же воздействие вибрации и ударов на датчик. Однако вместе с дополнительной изоляцией растет и время отклика датчика на резкие температурные изменения. Платиновые термометры сопротивления одни из самых точных датчиков температуры. Кроме того, они стандартизированы, что значительно упрощает их использование. Стандартно производятся датчики сопротивлением 100 и 1000 Ом. Изменение сопротивления таких датчиков с температурой дается в любых тематических справочниках в виде таблиц или формул. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет -180 С +600 С. Несмотря на изоляцию, стоит оберегать термометры сопротивления от сильных ударов и вибрации.

 

Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов. Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Он открыл, что если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это например пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 С. При высоких температурах до 1500 С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.

 

Заключение

 

Будь то платиновый термометр сопротивления, термопара, инфракрасный датчик, кремниевый датчик или термистор, каждый из них обладает рядом уникальных свойств, позволяющих наилучшим образом решить задачу по измерению температуры. Высокая точность и стабильность отличают платиновые термометры сопротивления. Достоинством кремниевых датчиков так же является высокая точность, пусть и в узком температурном диапазоне. Термисторы обладают высокой чувствительностью и невысокой ценой, что позволяет встраивать их в различные электронные приборы. Инфракрасные датчики температуры позволяют измерить быстропротекающие температурные процессы и объекты с очень высокой температурой. К достоинствам термопар несомненно можно отнести точность и стабильность показаний в широком диапазоне температур, их устойчивость в неблагоприятным воздействиям внешней среды.

 

Источник: http://www.sensor.ru/

Первичный отклик терморезистивных датчиков с высоким коэффициентом сжатия

Растет потребность в датчиках для контроля производительности современных качественных продуктов, таких как электроника, для контроля накопления тепла, расслоения подложки и теплового разгона. В обрабатывающих приборах интеллектуальные датчики необходимы для измерения толщины осажденного слоя и удельного сопротивления для управления технологическим процессом, а в электрических шкафах они используются для мониторинга и контроля климата.Датчик рыскания для предотвращения заноса использует очень тонкие подвижные компоненты, а контроллер автомобильного двигателя сочетает в себе микропроцессор и датчик на одном чипе. Датчик изображения Active-Pixel интегрирован с цифровой схемой считывания для выполнения большинства функций видеокамеры. Магнитострикционные преобразователи воспринимают и гасят вибрации. Усовершенствованные акустические датчики будут использоваться для обнаружения потока воздуха и других жидкостей даже на дозвуковых скоростях. Разрабатываются оптико-электронные сенсорные системы для установки на ракетные двигатели для контроля выхлопных газов на наличие признаков износа двигателей.С появлением новых охлаждающих жидкостей, не содержащих фреон, в автомобилях обострились проблемы коррозии систем кондиционирования воздуха, и их необходимо контролировать чаще. Сокращения оборонных расходов вынуждают хранить оборудование в безопасном месте в течение неопределенного периода времени, и это делает мониторинг более важным. Индивидуальное производство «точно в срок» в современных отраслях промышленности также требует резкой корректировки производительности различных выбранных изделий, оставляя некоторое производственное оборудование бездействующим в течение длительного времени, и, следовательно, оно будет подвержено большей коррозии, и необходимы датчики коррозии.В индустрии медицинских устройств разработка имплантируемых медицинских устройств с использованием как потенциометрического, так и амперометрического определения параметров до сих пор использовалась с недостаточной микроминиатюризацией и, следовательно, требует хирургической имплантации. Во многих приложениях устройства с высоким соотношением сторон, ставшие возможными благодаря использованию литографии с синхротронным излучением, позволяют производить более полезные устройства. Датчики с большим соотношением сторон позволят промышленным предприятиям и различным другим пользователям получать более точные измерения физических свойств и химических составов во многих системах.Значительные инженерные исследования в последнее время были сосредоточены на этом типе эффекта изготовления. В этой статье рассматривается термоограничительное устройство сенсорной шины с большим соотношением сторон и увеличенным соотношением сторон межсоединений к устройству с использованием уникальных программных ресурсов моделирования.

Терморезистивный тензометрический датчик и метод позиционирования для процессов непрерывной прокатки

Датчики (Базель). 2014 май; 14(5): 8082–8095.

Kuan-Hsun Liao

1 Институт наноинженерии и микросистем, Национальный университет Цин Хуа, No.101, участок 2, дорога Куанг Фу, Синьчжу 30013, Тайвань; Электронная почта: [email protected]

Cheng-Yao Lo

1 Институт наноинженерии и микросистем, Национальный университет Цинхуа, № 101, секция 2, Kuang Fu Road, Hsinchu 30013, Taiwan ; Электронная почта: [email protected]

2 Факультет энергетического машиностроения, Национальный университет Цинхуа, № 101, секция 2, дорога Куанг Фу, Синьчжу 30013, Тайвань

1 Институт Наноинженерия и микросистемы, Национальный университет Цин Хуа, No.101, участок 2, дорога Куанг Фу, Синьчжу 30013, Тайвань; Электронная почта: [email protected]

2 Факультет энергетического машиностроения, Национальный университет Цинхуа, № 101, раздел 2, дорога Куанг Фу, Синьчжу 30013, Тайвань

Предоставлено

Вклад автора : Куан-Хсун Ляо разработал и провел это исследование. Чэн-Яо Ло руководил этой работой и подготовил эту рукопись.

* Автор, которому должна быть адресована корреспонденция; Электронная почта: вес[email protected]; Тел.: +886-3-516-2404, Факс: +886-3-574-5454.

Поступила в редакцию 24 января 2014 г .; Пересмотрено 24 апреля 2014 г .; Принято 28 апреля 2014 г.

Авторские права © 2014 принадлежат авторам; лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья цитировалась другими статьями в PMC.

Abstract

В этом исследовании используется разность температур, создаваемая джоулевым нагревом, для мониторинга в режиме реального времени и локализации как сжимающих, так и растягивающих деформаций полимерных подложек, используемых в процессе рулонной обработки.Змеевидная линия золота (Au) была нанесена на подложку из полиэтиленнафталата (PEN) для формирования датчика деформации на основе терморезистивного поведения. Затем на этот тензометрический датчик воздействовали током или напряжением, чтобы вызвать эффект джоулевого нагрева резистора из золота. Инфракрасный (ИК) детектор использовался для контроля разницы температур, вызванной деформацией, на поверхностях Au и PEN, и минимальный обнаруживаемый радиус изгиба составлял 0,9 мм с коэффициентом калибровки (GF) 1,46. Предлагаемая конструкция устраняет неоднозначность суждения по сравнению с обычными тензорезисторными датчиками, где сопротивление является единственной контролируемой физической величиной.Это исследование точно и успешно показало локальную деформацию количественно и качественно с полным моделированием и измерениями.

Ключевые слова: выравнивание , калибровочный коэффициент, инфракрасный, Джоулев нагрев, полиэтиленнафталат, регистрация, рулонный, датчик, деформация, терморезистивный

1. уязвимые точки. Поскольку деформации, возникающие в диапазоне микрометров, трудно визуализировать в режиме реального времени невооруженным глазом, их необходимо обнаруживать на основе физических величин, считываемых людьми или автоматическими системами.Решения для оптического обнаружения деформации на основе света обычно используют преимущества уникальных оптических эффектов, таких как интерференция Фабри-Перо [1,2], эффект Муара [3,4], дифракция Брэгга [5,6] или распознавание образов [7]. ], чтобы визуализировать напряжение с помощью видимых цветов или невидимых сигналов. В то же время звуковые волны также используются для контроля плотности материалов, которые, в свою очередь, отражают внутренние напряжения. Система поверхностных акустических волн (ПАВ) [8] является одним из датчиков деформации, в которых используются звуковые волны.Другие новые тензометрические датчики на основе рентгеновского излучения [9] и радиоволн [10] здесь не рассматривались и не сравнивались из-за их сложной настройки и более высокого энергопотребления.

В дополнение к оптическим и акустическим датчикам деформации для измерения деформации также используются другие физические величины, такие как сопротивление [11,12], емкость [13,14], индуктивность [15] и магнитное поле [16]. Среди этих вариантов датчики сопротивления деформации широко используются из-за их простого механизма обнаружения. Сопротивление изменяется пропорционально изменению длины резистора, а деформация материала связана с сопротивлением.Поправки иногда необходимы, потому что толщина и ширина резистора также изменяются с изменением его длины. перечислены обычные тензорезисторы с их характеристиками, где чувствительность представляет наименьшую обнаруживаемую деформацию в соответствующей системе, а отрицательный и положительный знаки представляют сжатие и растяжение в диапазоне обнаружения деформации соответственно. Определение и расчет калибровочного коэффициента будут описаны позже.

Таблица 1.

Сравнение характеристик различных датчиков сопротивления деформации.

Размер датчика Максимальный коэффициент датчика Диапазон обнаружения
Углерода Nanotube [17] 7 мм × 10 мм 22.4 −0,006%–0,006% 0,001%
Никель [18] 20 мм × 60 мм 15 Зафиксировано на 0,008303% 0,03% 0,03%
Золотой наночастиц [19] Диаметр 5 мм 300 300 0% -0.55% 0,22%
Графена [20] 50 мм × 50 мм 0.997 0997 0% -2% 0.167%
Эта работа 2 мм × 2 мм 1,46 -0,526% -0,526% 0,012%

Тем не менее Датчики резистивной деформации используют только одну физическую величину — сопротивление — и им не хватает разнообразия приложений и точности определения местоположения.Выходные сигналы резистивного тензометрического датчика отражают только общую производительность и не учитывают местные детали. Например, когда в целевом объекте одно напряжение с малым значением соединено последовательно с другим сжатием с большим значением, отслеживаемое сопротивление возвращает только наложенный результат сжатия с малым значением. Аналогичная неоднозначность возникает и при параллельном подключении резисторов для тензометрических датчиков. Этот упущенный результат вводит в заблуждение и приводит к неправильным суждениям ().

Объяснение неоднозначных оценок обычного тензодатчика сопротивления, на котором комбинированное сопротивление не может идентифицировать локальное поведение.Наложенное общее сопротивление ( R ) в ( a ) и ( b ) не может отражать различные местные сопротивления ( R 1 ​​ и R 2 ) и их распределения.

С точки зрения массового производства с рулона на рулон (R2R) необходима методика, определяющая деформацию подложки в режиме реального времени, в противном случае подложки длиной от десятков до тысяч метров смещаются во время намотки и размотки. Это представляет собой критическую производственную проблему для гибких электронных устройств, где микрометровые или нанометровые сдвиги регистрации (выравнивания) могут привести к неисправности или отказу устройства.Этот сдвиг шаблона будет еще больше усугубляться, если для устройства используется многослойный стек. В предыдущей работе была предложена методология обнаружения звездчатого и телескопического эффекта в системе R2R [21]. Однако для этого требуются внешние датчики деформации с намотанными валками, прежде чем неравномерное распределение напряжения может быть возвращено в контроллер и затем отрегулировано механическими частями. Несмотря на то, что он решает задачи намотки/размотки в автономном режиме, он не справляется с микронапряжениями и не корректирует сдвиги в режиме реального времени.Кроме того, установка внешнего тензодатчика — это ручная задача, которая не может выполняться автоматически. Чтобы решить эти проблемы, в этом исследовании предлагается усовершенствованный датчик резистивной деформации, который вводит вторую физическую величину тепла для количественной, качественной и автоматической локализации деформации.

2. Дизайн

показывает предлагаемое устройство и настройку системы обнаружения. Змеевидный металлический резистор был нанесен методом литографии на полимерную подложку с большими контактными площадками на обоих концах.Полиэтиленнафталат толщиной 125 мкм (PEN; Teijin DuPont, Q65F, Уилмингтон, Делавэр, США) был выбран в качестве подложки, чтобы отразить реальность рулонной производственной системы для гибких электронных устройств, которые обычно сталкиваются с механической точностью (деформация ) вопросы (). Золото (Au) толщиной 10 нм было выбрано в качестве резистора из-за его чувствительных электрических свойств и хорошей теплопроводности при нанесении и измерении. В этом исследовании Au-резистор был нанесен непосредственно на PEN с помощью фотолитографии без проблем с адгезией [22].Другие полимерные подложки и металлические резисторы также могут использоваться аналогично этому предложенному сценарию.

( a ) Предлагаемый тензодатчик состоит из змеевидного Au-резистора на полиэтиленнафталатной (PEN) подложке с источником напряжения или тока. Демонстрационная система обнаружения имеет инфракрасный (ИК) детектор над вогнутым ( b ) и выпуклым держателем ( c ) под датчиком деформации для измерения сжатия и растяжения соответственно.( d ) Рулонный процесс производства предлагаемым способом. Боковое сбалансированное усилие ( F и F′ ) на валке становится неуравновешенным ( F и F′ ) с внеосевым валком (Ролик C). Ролик ( d ) в пунктирной линии является правильным и ожидаемым местом для ролика C. Дополнительный измеритель сопротивления ( R м ) и контроллеры помогают регулировать источник напряжения ( В s ) и источник тока ( I s ) для устранения начальных колебаний сопротивления.

3. Принцип

Во время работы ток ( I ) или напряжение ( В ) подается на Au резистор с сопротивлением ( R ), который генерирует тепловую энергию (тепло, P ), потому что теплового эффекта Джоуля. Тепловая энергия положительно ( P = I 2 R ) и отрицательно ( P = В 2 / R ) связаны с постоянным током или напряжением соответственно при постоянном сопротивлении a. .Когда PEN-подложка и Au-резистор над ней изменяют свои размеры, соответственно изменяется и сопротивление. Благодаря вышеупомянутому эффекту нагрева Джоуля пользователи могут получать информацию о деформации и натяжении, анализируя инфракрасное (ИК) излучение от резисторов из золота, расположенных с обеих сторон подложки.

Чувствительное электрическое поведение золота толщиной 10 нм усилило изменение температуры, поскольку его сопротивление сильно отражает изменение размеров. В работе этой предлагаемой методики используется изменение сопротивления (Δ R ) вместо абсолютного значения сопротивления ( R ), таким образом, незначительные начальные изменения сопротивления, вызванные процессом формирования рисунка перед роликом А, не влияют на изменение температуры (Δ Т ).Использование хорошо разработанного и имеющегося в продаже измерителя сопротивления ( R m ) с контроллерами для регулировки источника напряжения ( V s ) или источника тока ( I s ) для дальнейшего устранения начального сопротивления проблема вариации, которая выходит за рамки данного исследования.

С другой стороны, эффект джоулева нагрева также постепенно снижает сопротивление золота из-за спекания металла [23]. Чтобы отделить влияние спекания металла от измерения деформации, к структуре Au/PEN была применена предварительная термическая обработка (120 °C, 36 ч), чтобы значительно снизить сопротивление золота и обеспечить стабильное спекание металла. -неэффективный Au ().Линейная теплопроводность резистора из Au после предварительного термического спекания обеспечивала линейный отклик между изменением сопротивления и изменением его температуры джоулева нагрева (Δ T , ).

( a ) Предварительная термическая обработка при 120 °C в течение 36 часов обеспечила неэффективность спекания металла Au-резистора во время применения. После предварительной термической обработки сопротивление уменьшилось с более чем 3400 Ом до менее чем 2700 Ом, что сделало сопротивление термонечувствительным при джоулевом нагреве.( b ) Линейная теплопроводность предварительно термообработанного Au-резистора на PEN. Точки данных в ( b ) представляют один температурный цикл (одна линия нагрева и одна линия охлаждения), и эти две линии неразличимы.

Для гибких конструкций электронных устройств требуются дополнительные средства защиты (барьеры) для повышения надежности. В этом исследовании предлагается методология обнаружения деформации, основанная на изменениях сопротивления и инфракрасного излучения, и не применяется дополнительный защитный слой поверх резистора из золота.

4. Моделирование

В этом исследовании использовалась модель механической, электрической и тепловой связи для моделирования с использованием коммерческого программного обеспечения COMSOL (версия 4.0, COMSOL Inc., Берлингтон, Массачусетс, США). Полноразмерная модель была подготовлена ​​для моделирования путем повторения одного прямого резистора из Au шириной 50 мкм, пространством 50 мкм и длиной 1500 мкм 18 раз с контактными площадками на двух концах (). Накладки маршрутизации имели больший размер (150 мкм в ширину и 200 мкм в длину) в направлении х , чтобы гарантировать, что изменение рисунка перпендикулярно направлению нагрузки (направление х ) оказывает незначительное влияние на сопротивление.Поскольку теплопроводность PEN намного меньше, чем у Au [24, 25], в этом моделировании предполагалось, что тепло передается в основном через границу Au/воздух (восходящее тепло). Кроме того, когда небольшая часть тепла передается от Au к ПЭН-подложке (нисходящее тепло), она передается окружающей ПЭН-подложке в направлениях ± x -, ± y — и – z -направлениях. последовательно.

показывает результаты моделирования температуры для компрессионного корпуса с различными радиусами изгиба при фиксированном токе ( I ).Тепло, выделяемое с помощью P = I 2 R , распределяется по тензодатчику, но накапливается только в центре, поскольку тепло на краях тензодатчика передается окружающей PEN-подложке, как упоминалось ранее. Следовательно, распределение температуры на поверхности тензодатчика имеет максимальное значение в центре и постепенно уменьшается к краям.

Результаты моделирования для I = ( a ) 1 мА, ( b ) 2 мА и ( c ) 3 мА случаи сжатия и V = ( d , ( e ) 9 В и ( f ) 12 В корпуса.Все легенды основаны на одних и тех же настройках от 29 (синий цвет слева) до 56 °C (красный цвет справа). Радиусы изгиба для всех случаев составляли 25 мм.

показывает результаты моделирования температуры для случая растяжения с различными радиусами изгиба при фиксированном напряжении ( В ) питания с P = В 2 / R . Подобно распределению температуры в корпусе сжатия, температура имеет самое высокое значение в центре и самое низкое значение на краю тензометрического датчика.

5. Результаты и обсуждение

иллюстрирует настройку измерения. ИК-спектр (InfraScope II, QFI Corporation, Виста, Калифорния, США) использовали для контроля ИК-излучения от Au резистора, создавая карту распределения температуры во время измерения. Температуру окружающей среды во всех случаях поддерживали на уровне 20 °C, и полученная карта температур не только отражает общую среднюю температуру, но также указывает температуры в отдельных точках. Из-за ограничений текущего держателя были исследованы радиусы изгиба ( r ) между 25 и 200 мм.Деформации, рассчитанные по размерам датчиков и их радиусам изгиба [26], составляли от 0,065 % ( r = 25 мм) до 0,526 % ( r = 200 мм) как для сжатия, так и для растяжения, что удовлетворяет разумным требования к механической точности роликов в системе R2R с шириной подложки из стороны в сторону (направление x ) 100–300 мм ().

5.1. Компрессия

показывает взаимосвязь между деформациями и измеренными температурами компрессионных корпусов.показывает температурную карту компрессионного корпуса r = 150 мм. В предлагаемой методике различались радиусы изгиба от 25 до 200 мм с привязкой к точке плоской поверхности ( r = бесконечность, деформация ε = 0%). Различие между смоделированными и измеренными данными связано с вариациями параметров моделирования (коэффициент конвекционной теплопередачи, ч и теплопроводность, к ) [27], которые зависят от условий спекания металла в зерне в тонкая пленка вместо объемного материала.Эта разница была незначительной при малых токах и усиливалась при больших токах питания. Тем не менее, измеренные данные успешно следовали тенденции моделирования, что свидетельствовало о возможности прогнозирования деформации на основе изменений относительной температуры (сопротивления), а не на основе абсолютных значений температуры (сопротивления). Предлагаемая методология сравнивала только резистивное изменение (Δ R ), и как моделирование, так и результаты эксперимента показали одно и то же Δ R и, следовательно, одно и то же Δ T .

( a ) Температурная характеристика различных радиусов изгиба при сжатии с различными приложенными токами. ( b ) Карта температуры r = 150 мм при I = 3 мА (шкала 300 мкм). Сплошные и полые символы в ( a ) представляют точки данных моделирования и измерения соответственно.

5.2. Натяжение

показывает взаимосвязь между деформациями и измеренными температурами натяжных корпусов. Тенденция и чувствительность в случае растяжения аналогичны таковым в случае сжатия.показывает температурную карту растянутого корпуса r = 150 мм.

( a ) Температурная характеристика различных радиусов изгиба растяжения при различных приложенных напряжениях. ( b ) Температурная карта r = 150 мм при В = 12 В (шкала 300 мкм). Сплошные и полые символы в ( a ) представляют точки данных моделирования и измерения соответственно.

5.3. Обнаружение отклонения от оси рулона к рулону

Одним из применений этой предлагаемой методологии является производство рулона за рулоном, что проиллюстрировано на рис.Рулонная система обычно содержит десятки роликов, и гибкая полимерная подложка слегка растягивается этими роликами для обеспечения ровной поверхности подложки во время процесса. Однако механически регулируемое натяжение обычно не сбалансировано от ролика к ролику.

В результате полимерная подложка с одной стороны валика может растягиваться сильнее, чем с другой. Таким образом, устройства, изготовленные на полимерной подложке, деформируются из-за этой проблемы, и их характеристики ухудшаются из-за этих непредсказуемых деформаций, вызванных стрессом.Для подложки длиной 500 мм (в направлении y ) между роликами B и C в , деформация 1% с одной стороны вдоль механического направления (направление y ) соответствует 5 мм (5000 мкм) удлинение, что уже является неприемлемой на практике величиной для гибких электронных устройств микрометрового или нанометрового масштаба. Преднамеренно различая внешние силы F и F’ с деформацией 1%, результаты показывают, что ненагруженная сторона ( F ) не показала заметной разницы температур (69.1 °C при 12 В по сравнению с контрольной точкой 67,9 °C в ), в то время как нагруженная сторона с 1% деформацией ( F’ ) показала абсолютное значение 39,8 °C при 12 В. 39,8 °C представляет собой деформация 0,97%, которая приходится на экстраполированную часть линии тренда в и доказывает правильность данной методики.

5.4. Локализация деформации

Другим важным преимуществом предлагаемой методики является ее способность локализовать деформацию, распределенную в пределах области измерения. показывает, что наложенные сопротивления и их изменения у обычных тензорезисторов одинаковы.В результате оба сопротивления равны Ом Ом, что упускает из виду распределение деформации и приводит к неправильной оценке. Эта проблема может быть решена только с помощью массива, состоящего из тензодатчиков меньшего размера, но это решение также увеличивает сложность разводки цепей, дизайна схемы, методологии измерения и алгоритма анализа. Таким образом, сохранение той же конфигурации датчика деформации, но введение второй физической величины тепла обеспечивает превосходное разрешение обнаружения, как это было предложено в этом исследовании.

Как видно, датчик деформации был намеренно загнут с одного угла. показывает результат измерения, который ясно указывает на то, что тепло аккумулируется в окружающих местах складчатой ​​метки. Поскольку сопротивление изменялось в основном в целевой (трапециевидной) области, изменение температуры отражало место деформации, а не общее поведение, которое не учитывалось.

( a ) Вид сверху на специально сложенный образец под оптическим микроскопом и ( b ) карта распределения температуры.Масштабные полосы в ( a ) и ( b ) равны 300 мкм.

Пунктирная линия представляет ось изгиба, а трапеция вытянута на 250 мкм от оси изгиба в каждом направлении. Согласно модели теплообмена [28], эта трапеция покрывает 83% всего распределения тепла. Меньшая площадь трапеции содержит более высокое соотношение высокотемпературных пикселей изображения, но меньшая площадь трапеции не может покрыть всю область изгиба, чтобы отразить реальность. Напротив, большая площадь трапеции покрывает больше поверхностей образца, но большая площадь трапеции также включает меньше высокотемпературных пикселей изображения и приводит к меньшей точности.В этом исследовании для оценки чувствительности использовалось покрытие 83%. Тренд линии экстраполяции в предсказывает, что радиус изгиба метки сгиба в 0,9 мм при средней температуре 42,6 °С в области трапеции в .

( a ) Прогноз температуры (сплошной ромб) при 12 В для сопротивления в области трапеции на основе экспериментальных результатов (полый треугольник). ( b ) Реальная кривизна изгиба хорошо согласуется с экстраполяционным прогнозом для метки сгиба, где толщина подложки PEN составляет 125 мкм, а золото толщиной 10 нм было ненаблюдаемым, и, следовательно, не учитывалось для радиуса изгиба. расчет.Пунктирная линия, пунктирная линия и сплошная линия в ( b ) представляют для воображаемой окружности с радиусом изгиба r положение оси изгиба в поперечном сечении и положение внешних границ в поперечном сечении. трапеции в .

Прогноз был рассчитан из сопротивлений последовательно с частичными вкладами (). Метка изгиба также наблюдалась оптически () для сравнения, и радиус изгиба (0,87 мм) соответствовал предсказанию.Этот результат подтвердил предложенную методологию с разницей менее 3,3% и коэффициентом калибровки (GF) этого предлагаемого датчика деформации, который определяется как:

это 1,46. Здесь Δ R , R и ε представляют собой разность сопротивлений в плоском состоянии и при изгибе, сопротивление в плоском состоянии и деформацию внутри материала соответственно.

5.5. Морфология поверхности и надежность

Разница в коэффициенте Пуассона между PEN и Au [29,30] приводит к разным размерным сокращениям или расширениям при различных деформациях.Металлическое золото обладает лучшей пластичностью, чем полимерный ПЭН, и поэтому экстремальные объемные изменения золота на ПЭН при сильном изгибе потенциально могут привести к различной морфологии поверхности. Поскольку морфология поверхности металла отражает его сопротивление [31,32], важно понять шероховатость поверхности и отделить изменение сопротивления размеров от морфологических влияний.

показывает состояние поверхности золота, проверенное с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). В этом исследовании применялись две методики обследования: однократный изгиб и циклический изгиб с различными радиусами изгиба.После предварительной термообработки при 120 °С в течение 36 ч () образец показывает лучшую шероховатость поверхности, чем образец до предварительной термообработки (). Хотя образцы после обработки сжатием в целом показали худшую среднюю шероховатость поверхности ( R a ), чем образцы, обработанные растяжением, образцы с жесткой ( r = 25 мм) обработкой () показали шероховатость поверхности, аналогичную шероховатости в плоском случае. (). Образец, подвергнутый 200-кратному циклическому изгибу, также демонстрирует такой же уровень шероховатости поверхности, как показано на рис.Поскольку зарегистрированная собственная шероховатость поверхности тонкой пленки Au составляет менее 10 нм [31, 33, 34], эти результаты доказывают, что изменение сопротивления связано с деформацией, которая приводит либо к уменьшению длины (от сжатия), либо к увеличению длины (от сжатия). напряжение), а не от морфологии поверхности. Испытание на циклический изгиб также показывает, что датчик деформации имеет хорошую надежность при повторяющихся операциях. Благодаря этим результатам этот усовершенствованный тензометрический датчик работает, как и предполагалось.

Средняя шероховатость поверхности (R a ) Au резистора для ( a ) до и ( b ) после спекания.Площадь исследования составляет 2 мкм × 2 мкм. Значения R a находятся на одном уровне для ( c ) однократного сжатия, ( d ) однократного растяжения, ( e ) 200-кратного сжатия и ( f ) 200-кратного растяжения при . r = 25 мм. Соответствующие значения R a составляют (а) 3,84 нм, (б) 1,24 нм, (в) 2,37 нм, (г) 1,61 нм, (д) ​​2,00 нм и (е) 1,68 нм соответственно.

6. Выводы

В этом исследовании представлен усовершенствованный резистивный датчик деформации с превосходной способностью локализации деформации за счет введения второго физического количества тепла.В этом исследовании также представлен полный анализ, основанный на теории, моделировании, эксперименте и проверке надежности. Используя определение температуры (инфракрасного излучения), этот датчик деформации обеспечивает бесконтактный метод измерения. При различных приложенных токах или напряжениях чувствительность датчика деформации может быть изменена в соответствии с конкретными требованиями применения. Предварительно нанеся этот тензометрический датчик на гибкую подложку с надлежащим подводом энергии, деформацию подложки, вызванную механическим напряжением, в производственной системе рулонного производства можно контролировать в режиме реального времени.Эта методология обнаружения требует только недорогих материалов и простых процессов, устраняет неоднозначность анализа данных и поддерживает измерения как сжатия, так и растяжения с вариантами локализации. С помощью обратной связи по деформации и автоматического позиционирования роликов, что выходит за рамки данного исследования, можно дополнительно реализовать коррекцию роликов в режиме реального времени.

Благодарности

Это исследование было частично поддержано Национальным научным советом (ID: NCS101-2221-E-007-054-MY2) и проектом «На пути к университету мирового уровня» Национального университета Цин Хуа.Авторы высоко ценят использование объекта в Центре нанотехнологий, материаловедения и микросистем (CNMM) Национального университета Цин Хуа, который частично поддерживается Национальным научным советом (NSC).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Lo C.Y., Huang Y.R., Liao K.S., Kuo S.A., Wei S.P. Визуальный датчик кривизны с нулевым энергопотреблением с помощью гибкого интерферометра. Сенсорные приводы A Phys. 2011; 169: 295–300.[Google Академия]2. Цзян М., Герхард Э.А. Простой тензодатчик, использующий тонкую пленку в качестве тонкого оптоволоконного интерферометра Фабри-Перо. Сенсорные приводы A Phys. 2011; 88: 41–46. [Google Академия]3. Интерферометрия Поста Д. Муара: достижения и приложения. Эксп. мех. 1991; 31: 276–280. [Google Академия]4. Се Х., Кисимото С., Асунди А., Боай К.Г., Шинья Н., Ю Дж., Нгои Б.К.А. Измерение плоскостной деформации методом муара на атомно-силовом микроскопе. Нанотехнологии. 2000; 11: 24–29. [Google Академия]5.Sun W.C., Chu C.H., Chang HC, Wu B.K., Chen Y.R., Cheng C.W., Chiu M.S., Shen Y.C., Wu H.H., Hung Y.S., et al. Определение трехмерной межфазной деформации — новый метод исследования структуры межфазной поверхности с помощью рентгеновской дифракции поверхности Брэгга. Тонкие твердые пленки. 2007; 515: 5716–5723. [Google Академия]6. Чжан З.Ф., Чжан С., Тао Х.М., Ван Г.Ф., Пэн Г.Д. Надпись брэгговской решетки полимерного оптического волокна на длине волны 962 нм и ее потенциал в измерении деформации. Технология фотоники IEEE. лат. 2010; 22:1562–1564.[Google Академия]7. Сео Ю., Ким Ю.М., О Д. Система измерения положения для точного выравнивания рулонной печати и анализа чувствительности к термической деформации. Микросист Техн. 2013;19:1539–1548. [Google Академия]8. Наламвар А.Л., Эпштейн М. Поверхностные акустические волны в деформированных средах. Дж. Заявл. физ. 1976; 47: 43–48. [Google Академия]9. Перруд О., Вайретт Р., Риверо К., Томас О., Миха Дж., Ульрих О. Исследование деформации микропучковыми рентгеновскими лучами структур Cu-MEMS. Микроэлектрон Инж. 2010; 87: 394–397.[Google Академия] 10. Юань А.В.Ф., Ли С.Ю., Ху Н., Нин Х.М., Лю Ю.Л., Ву Л.К., Атобе С., Фукунага Х. Сверхчувствительные датчики деформации многостенных углеродных нанотрубок/эпоксидных нанокомпозитов с использованием тангенса угла диэлектрических потерь. заявл. физ. лат. 2013; 103 doi: 10.1063/1.4833756. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 11. Ким Ю., Ли К., Квон С. Тонкий датчик из поликремния для измерения деформации элементов конструкций. IEEE Sens. J. 2010; 10:1320–1327. [Google Академия] 12. Чжан Х., Тао С., Ю Т., Ван С. Проводящая трикотажная ткань в качестве большого тензорезистора при высокой температуре.Сенсорные приводы A Phys. 2006; 126:129–140. [Google Академия] 13. Чу Л.Л., Куэ Л., Джанчандани Ю.Б. Измерение свойств материалов с помощью дифференциальных емкостных тензодатчиков. Дж. Микроэлектромех. Сист. 2002; 11: 489–498. [Google Академия] 14. Ван Ю.С., Чен Т.Ю., Чен Р., Ло С.Ю. Взаимный емкостной гибкий тактильный датчик для управления трехмерным изображением. Дж. Микроэлектромех. Сист. 2013; 22:804–814. [Google Академия] 15. Баудендистель Т.А., Тернер М.Л. Новый датчик обратной магнитострикционной силы. IEEE Сенсор.Дж. 2007; 7: 245–250. [Google Академия] 16. Лёндорф М., Дуэнас Т., Тьюес М., Квандт Э., Рюриг М. Высокочувствительные датчики деформации на основе магнитных туннельных переходов. заявл. физ. лат. 2002; 81: 313–315. [Google Академия] 17. Ху Н., Карубе Ю., Араи М., Ватанабэ Т., Ян С., Ли Ю., Лю Ю., Фукунага Х. Исследование чувствительности датчика деформации композита полимер/углеродные нанотрубки. Углерод. 2010; 48: 680–687. [Google Академия] 18. Петерсен М., Хекманн У., Бандорф Р., Гвоздз В., Шнабель С., Бройер Г., Клагес К.-П. Пленки Me-DLC как материал для высокочувствительных тензорезисторов с температурной компенсацией. Диам. Относ. Матер. 2011: 20, 814–818. [Google Академия] 19. Буржуев С., Дана А., Ортак Б. Лазерный синтез наночастиц золота для высокочувствительных тензорезисторов. Сенсорные приводы A Phys. 2013; 203:131–136. [Google Академия] 20. Хван С.Х., Парк Х.В., Пак Ю.Б., Ум М.К., Бьюн Дж.Х., Квон С. Электромеханическое определение деформации с использованием гибридных композитных листов из углеродных нанотрубок и графеновых нанопластин, пропитанных поликарбонатом. Композициинауч. Технол. 2013;89:1–9. [Google Академия] 21. Lee C., Kang H., Shin K. Усовершенствованный метод натяжения конуса для повышения производительности производственной линии рулонной печати с процессом намотки. Междунар. Дж. Мех. науч. 2012;59:61–72. [Google Академия] 22. Юн С.М., Юнг С.В., Ян С., Парк Ш.К., Ю Б.Г., Ишивар Х. Характеристики изгиба сегнетоэлектрических конденсаторов из поливинилиденфторида и трифторэтилена, изготовленных на гибкой подложке из полиэтиленнафталата. Курс. заявл. физ. 2011;11:S219–S224.[Google Академия] 23. Мун К.С., Донг Х., Марик Р., Потукучи С., Хант А., Ли Ю., Вонг С.П. Термическое поведение наночастиц серебра для низкотемпературных соединений. Дж. Электрон Матер. 2005; 34: 168–175. [Google Академия] 24. Лангер Г., Хартманн Дж., Райхлинг М. Теплопроводность тонких металлических пленок, измеренная с помощью фототермического анализа профиля. преподобный наук. Инструм. 1997; 68: 1510–1513. [Google Академия] 25. Шукенс Г., Самин П., Мэдденс С., Ауденэрде Т.В. Усадочные характеристики после термофиксации двухосно растянутых поли(этилен-2,6-нафталатных) пленок и бутылок.Дж. Заявл. Полим. науч. 2003; 87: 1462–1473. [Google Академия] 26. Гир Дж.М., Тимошенко С.П. Механика материалов. Издательская компания PWS; Бостон, Массачусетс, США: 1997. стр. 303–361. [Google Академия] 27. Инкропера Ф.П., Девитт Д.П., Бергман Т.Л., Лавин А.С. Основы тепломассообмена. Джон Уайли и сыновья, инк.; Хобокен, Нью-Джерси, США: 2007. стр. 1–41. [Google Академия] 28. Фагри А., Чжан Ю., Хауэлл Дж. Усовершенствованный тепломассоперенос. Глобальная цифровая пресса; Колумбия, Миссури, США: 2010. стр. 1–74.стр. 875–916.[Google Академия] 29. Огис Дж. А., Ло К. С., Пиннель М. Р. Твердость и пластичность напыленных золотых пленок. Тонкие твердые пленки. 1979; 58: 357–363. [Google Академия] 30. Ли С.Дж., Хан С.В., Хён С.М., Ли Х.Дж., Ким Дж.Х., Ким Ю.И. Измерение модуля Юнга и коэффициента Пуассона для тонких пленок Au с использованием системы визуального отслеживания изображений. Курс. заявл. физ. 2009;9:S75–S78. [Google Академия] 31. Храпович С., Лю Ю., Энрайт Г., Бенсеба Ф., Луонг Дж.Х.Т. Новая стратегия получения тонких золотых пленок на модифицированных стеклянных поверхностях методом химического осаждения.Ленгмюр. 2003;19:3958–3965. [Google Академия] 32. Голан Ю., Маргулис Л., Рубинштейн И. Вакуумно-осажденные золотые пленки I. Факторы, влияющие на морфологию пленок. Серф. науч. 1992; 264:312–326. [Google Академия] 33. Лаханн Дж., Митраготри С., Тран Т.Н., Кайдо Х., Сундарам Дж., Чой И.С., Хоффер С., Соморджай Г.А., Лангер Р. Поверхность с обратимым переключением. Наука. 2003; 299: 371–374. [PubMed] [Google Scholar] 34. Сеол Ю.Г., Ли Дж.Г., Ли Н.Э. Влияние различных электродов затвора с гальваническим покрытием на электрические характеристики гибкого органического тонкопленочного транзистора и улучшение гибкости.Орг. Электрон. 2007; 8: 513–521. [Google Scholar]

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Первичный отклик терморезистивных датчиков с высоким коэффициентом сжатия

Аннотация

Растет потребность в датчиках для контроля производительности современных качественных продуктов, таких как электроника, для контроля накопления тепла, расслоения подложки и теплового разгона. В обрабатывающих приборах интеллектуальные датчики необходимы для измерения толщины осажденного слоя и удельного сопротивления для управления технологическим процессом, а в электротехнических шкафах они используются для мониторинга и контроля климата.Датчик рыскания для предотвращения заноса использует очень тонкие подвижные компоненты, а контроллер автомобильного двигателя сочетает в себе микропроцессор и датчик на одном чипе. Датчик изображения Active-Pixel интегрирован с цифровой схемой считывания для выполнения большинства функций видеокамеры. Магнитострикционные преобразователи воспринимают и гасят вибрации. Усовершенствованные акустические датчики будут использоваться для обнаружения потока воздуха и других жидкостей даже на дозвуковых скоростях. Разрабатываются оптико-электронные сенсорные системы для установки на ракетные двигатели для контроля выхлопных газов на наличие признаков износа двигателей.С появлением новых охлаждающих жидкостей, не содержащих фреон, в автомобилях обострились проблемы коррозии систем кондиционирования воздуха, и их необходимо контролировать чаще. Сокращения оборонных расходов вынуждают хранить оборудование в безопасном месте в течение неопределенного периода времени, и это делает мониторинг более важным. Индивидуальное производство «точно в срок» в современных отраслях промышленности также требует резкой корректировки производительности различных выбранных изделий, оставляя некоторое производственное оборудование бездействующим в течение длительного времени, и, следовательно, оно будет подвержено большей коррозии, и необходимы датчики коррозии.В индустрии медицинских устройств разработка имплантируемых медицинских устройств с использованием как потенциометрического, так и амперометрического определения параметров до сих пор использовалась с недостаточной микроминиатюризацией и, следовательно, требует хирургической имплантации. Во многих приложениях устройства с высоким соотношением сторон, ставшие возможными благодаря использованию литографии с синхротронным излучением, позволяют производить более полезные устройства. Датчики с большим соотношением сторон позволят промышленным предприятиям и различным другим пользователям получать более точные измерения физических свойств и химических составов во многих системах.Значительные инженерные исследования в последнее время были сосредоточены на этом типе эффекта изготовления. В этой статье рассматривается термоограничительное устройство сенсорной шины с большим соотношением сторон и увеличенным соотношением сторон межсоединений к устройству с использованием уникальных программных ресурсов моделирования.

Измерительная система для широкодиапазонной оценки расхода и тепловых характеристик терморезистивных датчиков расхода на основе МЭМС

Дюжев Николай Александрович родился в Москве в 1951 году.В 1975 году окончил Национальный исследовательский университет электронной техники (МИЭТ) в Москве (Зеленограде), защитил кандидатскую диссертацию. по специальности «Физика полупроводниковых приборов» Московского физико-технического института (МФТИ), г. Долгопрудный (Московская область), в 1986 г. С 1975–2010 гг. – инженер, главный технолог, заведующий отделом в Институте физических проблем им. Лукин. С 2010 г. – директор Научно-технологического центра «Нано- и микросистемные технологии» (МИЭТ).С 2016 года — директор Научно-исследовательского центра МЭМСЭК (МИЭТ). Область научных интересов: разработка устройств NEMS и MEMS, наноразмерная вакуумная электроника. Является автором более 70 научных и технических публикаций.

Рябов Владимир Тимофеевич окончил Московский государственный технический университет им. Баумана в 1971 году по специальности «Полупроводниковая и электровакуумная техника», квалификация — инженер-механик. В 1971–1973 годах работал инженером в НИИ «Исток» и принимал участие в разработке специального вакуумного технологического оборудования.В 1978 году ему была присвоена степень доктора философии. ученую степень, а в 1981 году получил звание доцента. Разработал и в настоящее время читает курс «Автоматические системы управления», включающий лабораторные работы по программированию микропроцессорных систем управления. Область научных и технических интересов — методы и средства комплексной разработки механических, электронных и программных компонентов технологического оборудования микро- и наноэлектроники. Занимается проектированием аппаратных и программных средств систем автоматического управления, разработкой МЭМС-датчиков и экспериментальных установок для их автоматического программирования и настройки.

Демин Глеб Дмитриевич родился в г. Воронеже (Российская Федерация) в 1988 году. и М.С. дипломы в области электроники и наноэлектроники Национального исследовательского университета электронной техники (МИЭТ), Москва (Зеленоград) в 2004 и 2006 гг. соответственно, и кандидат технических наук. по специальности «Физика конденсированного состояния (спиновая электроника)» Национального исследовательского университета электронной техники (МИЭТ), Москва (Зеленоград), в 2016 г. С 2018 г. заведует лабораторией «Исследование нано- и микросистемных устройств» МИЭТ.Он является автором более 30 статей и 8 патентов. Его исследовательские интересы включают изучение эффектов переноса спина в магнитных наноструктурах, физику полевой эмиссии в наномасштабе и биоинспирированные нейроморфные системы на основе устройств спинтроники.

Махиборода Максим Александрович В 2007 году окончил Московский физико-технический институт (МФТИ). Кандидат технических наук. окончил Московский институт электроники и математики в 2011 г., звание кандидата технических наук. Тема диссертации – «Исследование тепловых процессов при автоэмиссии с кремниевого игольчатого катода».С 2004–2010 гг. – заведующий отделом Института физических проблем им. Ф.В. Лукин. С 2010 г. — заведующий научно-исследовательской лабораторией «Исследование продуктов нано- и микросистемной техники». Максим Александрович Махиборода — специалист в области развития нано- и микросистемной техники и вакуумной микро- и наноэлектроники.

Евсиков Илья Дмитриевич — инженер лаборатории «Исследование нано- и микросистемных устройств» Национального исследовательского университета электронной техники (МИЭТ).Я БЫ. Евсиков получил премию Б.С. и М.С. дипломы в области электроники и наноэлектроники Национального исследовательского университета электронной техники (МИЭТ) в 2017 и 2019 годах соответственно. Участвует в моделировании устройств МЭМС на основе тепловых эффектов, вакуумных автоэмиссионных устройств и занимается разработкой схемотехнических моделей автоэмиссионной электроники.

Поздняков Михаил Михайлович получил Б.С. по специальности «Электроника и наноэлектроника» Национального исследовательского университета электронной техники (МИЭТ), Москва (Зеленоград), в 2019 году.С 2019 года — инженер Лаборатории «Исследование нано- и микросистемных устройств» МИЭТ. Занимается разработкой и моделированием нано- и микросистемных устройств на основе тепловых эффектов, участвует в разработке экспериментальных установок для приборов измерения расхода и давления.

Беспалов Владимир Александрович В 1981 г. окончил Московский институт электронной техники (МИЭТ). С 1998–2009 гг. – проректор по финансам и инновациям. С 2016 года В.А. Беспалов — ректор Московского института электронной техники (МИЭТ), член Совета по науке и образованию при Президенте Российской Федерации. Награжден Премией Президента РФ в области образования в 2005 г. и Орденом Дружбы в 2008 г. Владимир Александрович Беспалов является руководителем программы бакалавриата «Электроника и наноэлектроника», а также магистерских программ: «Электроника и наноэлектроника» и «Вычислительная техника». проектирование субмикронных СБИС и систем-на-чипе». Ученый в области технологии микро- и наноэлектроники, фотоэлектроники на основе сложных полупроводников, автор более 100 научных работ и 15 изобретений.

© 2021 Elsevier B.V. Все права защищены.

МНОГОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ГОЛОВ ЧТЕНИЯ-ЗАПИСИ

Мы общаемся с техническими нюансами в различных отраслях.

Главная » Патентные заявки » МНОГОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ГОЛОВ ЧТЕНИЯ-ЗАПИСИ

19 сентября 2013 г.

МНОГОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ КОНТАКТА НА ГОЛОВКАХ ЧТЕНИЯ-ЗАПИСИ

массив (5) { [0]=> объект(WP_Post)#3458 (24) { [«ИД»]=> интервал (17858) [«автор_записи»]=> строка(6) «9

» [«post_date»]=> строка(19) «2022-03-04 17:33:02» [«post_date_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:33:02» [«post_content»]=> строка(0) «» [«post_title»]=> string(11) «Натан Ван» [«post_excerpt»]=> строка(0) «» [«post_status»]=> строка(7) «опубликовать» [«статус_комментария»]=> строка(6) «закрыта» [«пинг_статус»]=> строка(6) «закрыта» [«post_password»]=> строка(0) «» [«название_сообщения»]=> строка (11) «натан-ван» [«to_ping»]=> строка(0) «» [«пинг»]=> строка(0) «» [«post_modified»]=> строка(19) «2022-03-04 17:42:01» [«post_modified_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:42:01» [«post_content_filtered»]=> строка(0) «» [«post_parent»]=> интервал (0) [«гид»]=> строка (64) «https://www.pattersonsheridan.com/?post_type=person&p=17858» [«порядок_меню»]=> интервал (0) [«тип_записи»]=> строка(6) «человек» [«post_mime_type»]=> строка(0) «» [«количество_комментариев»]=> строка(1) «0» [«фильтр»]=> строка(3) «сырой» } [1]=> объект(WP_Post)#3460 (24) { [«ИД»]=> интервал (17856) [«автор_записи»]=> строка(6) «9

» [«post_date»]=> строка(19) «2022-03-04 17:24:39» [«post_date_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:24:39» [«post_content»]=> строка(0) «» [«post_title»]=> строка(16) «Дж.Митчелл Лоу» [«post_excerpt»]=> строка(0) «» [«post_status»]=> строка(7) «опубликовать» [«статус_комментария»]=> строка(6) «закрыта» [«пинг_статус»]=> строка(6) «закрыта» [«post_password»]=> строка(0) «» [«название_сообщения»]=> строка (13) «митчелл-лоу» [«to_ping»]=> строка(0) «» [«пинг»]=> строка(0) «» [«post_modified»]=> строка(19) «2022-03-04 17:24:39» [«post_modified_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:24:39» [«post_content_filtered»]=> строка(0) «» [«post_parent»]=> интервал (0) [«гид»]=> строка (64) «https://www.pattersonsheridan.com/?post_type=person&p=17856» [«порядок_меню»]=> интервал (0) [«тип_записи»]=> строка(6) «человек» [«post_mime_type»]=> строка(0) «» [«количество_комментариев»]=> строка(1) «0» [«фильтр»]=> строка(3) «сырой» } [2]=> объект(WP_Post)#3461 (24) { [«ИД»]=> интервал (17853) [«автор_записи»]=> строка(6) «9

» [«post_date»]=> строка(19) «2022-03-04 17:09:22» [«post_date_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:09:22» [«post_content»]=> строка(0) «» [«post_title»]=> string(12) «Эндрю Адлоф» [«post_excerpt»]=> строка(0) «» [«post_status»]=> строка(7) «опубликовать» [«статус_комментария»]=> строка(6) «закрыта» [«пинг_статус»]=> строка(6) «закрыта» [«post_password»]=> строка(0) «» [«название_сообщения»]=> строка (10) «дрю-адлоф» [«to_ping»]=> строка(0) «» [«пинг»]=> строка(0) «» [«post_modified»]=> строка(19) «2022-03-04 17:09:22» [«post_modified_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:09:22» [«post_content_filtered»]=> строка(0) «» [«post_parent»]=> интервал (0) [«гид»]=> строка (64) «https://www.pattersonsheridan.com/?post_type=person&p=17853» [«порядок_меню»]=> интервал (0) [«тип_записи»]=> строка(6) «человек» [«post_mime_type»]=> строка(0) «» [«количество_комментариев»]=> строка(1) «0» [«фильтр»]=> строка(3) «сырой» } [3]=> объект(WP_Post)#3462 (24) { [«ИД»]=> интервал (17842) [«автор_записи»]=> строка(6) «9

» [«post_date»]=> строка(19) «2022-03-04 17:02:17» [«post_date_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:02:17» [«post_content»]=> строка(0) «» [«post_title»]=> string(9) «Марк Лоуи» [«post_excerpt»]=> строка(0) «» [«post_status»]=> строка(7) «опубликовать» [«статус_комментария»]=> строка(6) «закрыта» [«пинг_статус»]=> строка(6) «закрыта» [«post_password»]=> строка(0) «» [«название_сообщения»]=> строка (9) «марк-лоуи» [«to_ping»]=> строка(0) «» [«пинг»]=> строка(0) «» [«post_modified»]=> строка(19) «2022-03-04 17:02:17» [«post_modified_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 17:02:17» [«post_content_filtered»]=> строка(0) «» [«post_parent»]=> интервал (0) [«гид»]=> строка (64) «https://www.pattersonsheridan.com/?post_type=person&p=17842» [«порядок_меню»]=> интервал (0) [«тип_записи»]=> строка(6) «человек» [«post_mime_type»]=> строка(0) «» [«количество_комментариев»]=> строка(1) «0» [«фильтр»]=> строка(3) «сырой» } [4]=> объект(WP_Post)#3048 (24) { [«ИД»]=> интервал (17813) [«автор_записи»]=> строка(6) «9

» [«post_date»]=> строка(19) «2022-02-08 22:09:07» [«post_date_gmt»]=> строка(19) «2022-02-08 22:09:07» [«post_content»]=> строка(0) «» [«post_title»]=> string(8) «Кун Чен» [«post_excerpt»]=> строка(0) «» [«post_status»]=> строка(7) «опубликовать» [«статус_комментария»]=> строка(6) «закрыта» [«пинг_статус»]=> строка(6) «закрыта» [«post_password»]=> строка(0) «» [«название_сообщения»]=> строка(8) «кун-чень» [«to_ping»]=> строка(0) «» [«пинг»]=> строка(0) «» [«post_modified»]=> строка(19) «2022-03-04 16:50:05» [«post_modified_gmt»]=> строка(19) «2022-03-04 16:50:05» [«post_content_filtered»]=> строка(0) «» [«post_parent»]=> интервал (0) [«гид»]=> строка (64) «https://www.pattersonsheridan.com/?post_type=person&p=17813» [«порядок_меню»]=> интервал (0) [«тип_записи»]=> строка(6) «человек» [«post_mime_type»]=> строка(0) «» [«количество_комментариев»]=> строка(1) «0» [«фильтр»]=> строка(3) «сырой» } }

Оптотермотронный эффект как технология сверхчувствительного теплового зондирования для твердотельной электроники

ВВЕДЕНИЕ

Обнаружение и передача температуры представляет значительный интерес в промышленных процессах ( 1 ), лабораториях ( 2 ), а также в повседневной жизни ( 3 , 4 ).За последнее столетие был достигнут огромный прогресс в разработке и коммерциализации устройств для измерения температуры, включая резистивные датчики температуры (RTD) ( 5 ) и термисторы ( 6 , 7 ). Эти устройства используют изменение электрического сопротивления в зависимости от изменения температуры для определения температурного коэффициента сопротивления (TCR) в качестве индикатора температурной чувствительности ( 8 ). Устройства для измерения температуры на основе TCR становятся популярными благодаря простоте конструкции, изготовления и реализации ( 8 , 9 ).В настоящее время датчики RTD являются одним из основных продуктов на современном рынке измерения температуры. Тем не менее, эти сенсорные технологии в основном основаны на природе явлений рассеяния на решетке и/или тепловом возбуждении носителей заряда, которые ограничивают их сенсорные возможности ( 10 , 11 ). Например, чувствительность традиционных тепловизионных детекторов относительно низкая с типичным значением TCR ниже 0,7%/K. Широкий спектр приложений для теплового зондирования требует разработки передовых технологий, которые могут существенно улучшить сенсорные характеристики обычных твердотельных устройств за счет управления генерацией и транспортом носителей заряда ( 12 14 ).Было предложено несколько стратегий для повышения температурной чувствительности (например, TCR) обычных чувствительных материалов и твердотельных электронных устройств ( 15 18 ). Модификация шероховатости поверхности кремния p-типа (p-Si) наночастицами золота (Au-NP) может повысить температурную чувствительность до 100% ( 16 ). Эта концепция датчиков может быть подходящей для электронных приложений в жидком гелии и при криогенных температурах (например, от 10 до 30 К). В нанокомпозитах изменение туннельного расстояния между проводящими нанотрубками за счет объемного фазового перехода может вызывать большое значение ТКС при повышенных температурах.При температуре объемного фазового перехода, когда объем существенно увеличивается, электронам требуется более высокая энергия для прохождения через барьер, что приводит к существенному снижению электропроводности ( 15 ). Однако объемные расширения или фазовые переходы ограничены при определенной температуре и определенных условиях, что создает барьер для практических приложений измерения. В настоящее время генерация и модуляция термически возбужденных носителей заряда столкнулись с большими проблемами. Например, тепловое возбуждение происходит при температуре, близкой к комнатной, в то время как легирующая концентрация носителей заряда ограничивает скорость возбуждения, а также чувствительность твердотельной электроники ( 19 , 20 ).Поэтому температурная чувствительность тепловых устройств обычно ограничивается 0,7%/K ( 8 ). В то время как фотонное возбуждение неоднородным световым освещением вносит вклад в процесс теплового возбуждения градиент носителей заряда, электрическое поле регулирует транспорт этих носителей. Таким образом, можно заметно модулировать температурную чувствительность (TCR). Этот эффект, называемый оптотермотронным эффектом, отражает связь фотогальванического градиента и электрического тока для модуляции явления теплового возбуждения.В этой работе мы демонстрируем индуцированный в твердотельной электронике оптотермотронный эффект, который имеет латеральный фотовольтаический эффект в наногетероструктурах. В качестве доказательства мы обнаружили оптотермотронный эффект в высоколегированных нанопленках карбида кремния p-типа, выращенных на низколегированных кремниевых подложках p-типа (p + -SiC/p-Si). Мы демонстрируем гигантский TCR -50% / K в нанопленках SiC, манипулируя оптотермотронным эффектом. Высокая чувствительность достигается при комнатной температуре и выше, а не при низких рабочих температурах ( 16 ).Для создания градиента носителей заряда использовалась неравномерная световая засветка. Формирование квазиуровней Ферми в Si и SiC под действием градиента света, тепловое возбуждение, фотовозбуждение носителей заряда и управление энергией полосы SiC под действием электрического поля — все это связано с настраиваемой оптотермотронной чувствительностью. Помимо высоких характеристик восприятия, использование нанопленочного полупроводникового покрытия (SiC) с большой шириной запрещенной зоны ( 21 ) на подложке (Si) также обеспечивает подходящий материал для твердотельной электроники, работающей в суровых условиях, включая агрессивные среды, благодаря превосходной химической инертностью.Кроме того, производительность сенсорной технологии на два порядка выше, чем у гибких систем и в 2 раза выше, чем у лучшей неорганической системы на основе одностенных углеродных нанотрубок ( 22 ), композитов углеродных нанотрубок ( 23 ), графен ( 4 ), восстановленный оксид графена ( 3 ) и другие ( 10 ). На рисунке 1А показан схематический эскиз предлагаемой оптотермотронной платформы SiC/Si с соответствующими физическими явлениями.Световое освещение приводит к возбуждению носителей заряда в гетероструктуре SiC/Si и кремниевой подложке фотонами, в то время как нанопленка SiC является видимой-слепой ( 24 ). Неравномерное световое освещение вызывает градиент концентрации носителей заряда или градиент напряжения между электродами P и Q с интенсивностью света сильнее в Q и слабее в P. Впоследствии изменения температуры обеспечивают тепловую энергию для возбуждения носителей заряда с акцепторного уровня в валентную зону. ( 25 ).Сочетание фотовозбуждения и электрического тока настройки в платформе SiC/Si улучшает транспортные свойства носителей в нанопленках SiC. Использование полупроводниковых нанопленок с большой шириной запрещенной зоны (SiC) исключает возбуждение носителей заряда в слое SiC видимым светом благодаря его видимо-слепым свойствам ( 24 ).

Рис. 1 Материалы и концепции.

( A ) Схема оптотермотроники, отражающая связь фотонного возбуждения, индуцирующего фотонапряжение в твердотельных наногетероструктурах, и тепловое возбуждение носителей заряда в полупроводниковых нанопленках.Нанопленки SiC, образующие наногетероструктуру с Si, иллюстрируются как оптотермотронная платформа. ( B ) ПЭМ-изображение поперечного сечения нанопленки SiC в исходном состоянии, построенной на Si. ( C ) SAED-изображение 3C-SiC. ( D ) Рентгенограмма пленки 3C-SiC, выращенной на Si. а.е., условные единицы. Перепечатано с ( 26 ) с разрешения AIP Publishing.

Для формирования гетероструктур SiC/Si мы использовали процесс химического осаждения из газовой фазы при низком давлении для выращивания нанопленок SiC толщиной 280 нм на низколегированной (10 14 см −3 ) кремниевой подложке p-типа.В процессе легирования in situ легирующая примесь алюминия использовалась в форме предшественника триметилалюминия [(CH 3 ) 3 Al, TMAl]. Уровень легирования 5 × 10 18 см -3 был исследован с помощью измерения Холла для нанопленок SiC, легированных алюминием. Подробности процесса роста и изготовления устройств SiC описаны в разделе «Материалы и методы».

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рисунке 1B показано изображение площади поперечного сечения между SiC и Si, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), демонстрирующее кристалличность нанопленок SiC, которая также была подтверждена измерениями электронной дифракции на выбранной области (SAED) (рис.1С) ( 26 ). На рисунке 1D показано образование SiC, выращенного на Si с помощью рентгеновской дифракции (XRD). Результаты атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рамановской характеристики показаны на рис. С1. Мы провели измерения напряжения тока ( I V ) в темноте и при комнатной температуре для нанопленок SiC и гетероструктур SiC/Si (рис. S2). Результаты показали превосходный омический контакт, образованный между электродами и нанопленками SiC. На рисунке 2А показана самодельная экспериментальная установка для характеристики терморезистивного эффекта в нанопленках SiC (т.э., изменение сопротивления при изменении температуры в темноте) и оптотермотронный эффект в p + -SiC/p-Si при световом освещении. В терморезистивных измерениях мы использовали нагреватель в закрытой камере для контроля температуры устройства. На рис. 2 (В и С) показаны результаты измерения терморезистивного эффекта нанопленок SiC в темноте. При постоянном приложенном электрическом токе I измеренное напряжение V уменьшалось с повышением температуры, что свидетельствует об уменьшении электрического сопротивления (рис.2С). Это указывает на преобладание возбужденных носителей заряда по сравнению с эффектом рассеяния на несущей решетке в нанопленке p + -SiC. При приложенном токе I = 340 мкА измеренное напряжение снижается со 100 до 88 мВ (рис. 2Б), что соответствует уменьшению более чем на 10% электрического сопротивления нанопленок p + -SiC (рис. 2С). При повышении температуры акцепторы в SiC возбуждаются тепловой энергией и способствуют увеличению проводимости или уменьшению электрического сопротивления.На основании линейной характеристики I В (рис. 2Б) электрическое сопротивление R определяется законом Ома: R = В / I , а относительное изменение сопротивления равно Просто описано в следующей форме: δ R / R / R 8 V V V O O , где и O и R O являются соответственно напряжением и сопротивление, измеренное при эталонной температуре T o ; Δ В – изменение напряжения.В узком диапазоне температур ТКС можно аппроксимировать как ТКС = Δ R / R o × 1/Δ T , где Δ T = T T T это изменение температуры. Было обнаружено, что значение TCR почти постоянно и составляет примерно -0,5%/K при изменении температуры от 25° до 50°C. Это значение TCR хорошо известно для современных технологий терморезистивного измерения температуры с использованием коммерческих датчиков RTD ( 27 ).Чтобы подтвердить, что значение TCR, равное -0,5% / K, вызвано только слоем SiC, мы контролировали наш эксперимент, перенося пленку SiC на изолирующую подложку (стекло). Мы провели эксперименты по термочувствительным свойствам SiC на стекле. Результаты показывают, что значение TCR составляло около −0,5%/K (рис. S3), что сравнимо со значением, наблюдаемым для платформы SiC/Si в темноте. В следующем разделе мы демонстрируем оптотермотронный эффект путем объединения фотогальванического эффекта и оптимального тока настройки посредством генерации и контроля носителей заряда в p + -SiC/p-Si.

Рис. 2 Термосопротивление и оптотермотроника.

( A ) Схема установки для определения характеристик термосопротивления и оптотермотроники. ( B ) I V Характеристики нанопленок SiC в темных условиях. ( C ) Изменение электрического сопротивления при изменении температуры. ( D ) Фотовозбуждение p + -SiC/p-Si, демонстрирующее неоднородное распределение первичных носителей заряда в нанопленке SiC при световом освещении.Тепловое возбуждение генерирует дополнительные носители заряда за счет тепловой энергии, которая модулируется градиентом фотогенерированных первичных носителей заряда. ( E ) I V Характеристика нанопленки SiC при освещении 2000 люкс. Результат показал фотогенерируемое напряжение примерно 2 мВ и фототок примерно 7,6 мкА. ( F ) Характеристики I V , показывающие изменение измеренного напряжения при изменении температуры.На вставке показан увеличенный график характеристик I V около 7,6 мкА, где заметно меняется измеренное напряжение. ( G ) Изменение относительного сопротивления в зависимости от температуры при светлом освещении (2000 люкс) и в темноте при постоянном токе 7,6 мкА. ( H ) TCR p + -SiC/p-Si в темноте и при слабом освещении (2000 лк).

Рисунок 2D показывает предлагаемую нами концепцию оптотермотроники в p + -SiC/p-Si при тепловом и световом освещении.Неоднородный свет вносит градиент концентрации носителей заряда (то есть дырок) в валентную зону SiC ( 28 ). Таким образом, концентрация дырок увеличивается от P к Q из-за высокой интенсивности светового освещения в Q. Поэтому квазиуровень Ферми E FV,SiC носителей заряда в Q ближе к валентной зоне E V,SiC по сравнению с P. Этот процесс приводит к разности электрических потенциалов между P и Q.Когда температура повышается, акцепторы в SiC возбуждаются в валентную зону SiC, которые модулируются разностью потенциалов между P и Q. Чтобы подтвердить эту концепцию, мы осветили асимметричный градиент света на нанопленке SiC. Были выполнены измерения I V при фиксированном освещении 2000 люкс, что указывает на линейную характеристику. При комнатной температуре (25°С) фотонапряжение В фото составляло около 2 мВ, а генерируемый фототок I фото равнялся примерно 7.6 мкА (рис. 2Д). На рисунке 2F показаны полные результаты измерений I V при изменении температуры. Вблизи фототока 7,6 мкА измеренное напряжение резко менялось с повышением температуры (рис. 2F, вставка). Этот фототок был определен как оптимальный ток, который используется для оценки чувствительности оптотермотронного эффекта. На рис. 2 (G и H) показано относительное изменение сопротивления в зависимости от изменения температуры и TCR p + -SiC/p-Si под действием света. освещенности (2000 лк) по сравнению с теми, что были измерены в темноте.При 50°C было измерено изменение относительного сопротивления в условиях освещения (Δ R / R o ) свет с увеличением до 1000% при увеличении температуры от комнатной до 50°C. Прирост отношения сопротивления между световыми и темными условиями (Δ R / R o ) свет /(Δ R / R o ) наблюдался приблизительно 10 0 темнота раз при 50°С (рис.2Г). Это улучшение отражает важный вклад градиента фотонапряжения, генерируемого в нанопленке SiC при световом освещении. Значение TCR нанопленок SiC было относительно стабильным на уровне -0,5%/K в диапазоне температур от 25° до 50°C в темных условиях (рис. 2H), в то время как оно увеличивалось примерно на -50%/K в условиях освещения 2000 люкс. и при приложенном токе 7,6 мкА. Это увеличение указывает на то, что эффект сверхчувствительного измерения температуры платформы p + -SiC/p-Si достижим путем манипулирования условиями освещения и электрическим полем/током.Электрический потенциал и сопротивление можно модулировать фотохимически, что предполагает другие возможные применения, такие как термопреломляющие элементы ( 29 ). Результаты демонстрируют значительный прогресс в технологии измерения температуры с использованием латерального фотоэлектричества и теплового возбуждения носителей заряда в наногетероструктуре. Для изучения влияния фотовозбужденного заряда на характеристики оптотермотронного устройства мы исследовали зависимость значения TCR от интенсивность света и положение света через фотонапряжение В фото .На рис. 3А показано увеличение фотоэдс с увеличением интенсивности света. При малой интенсивности освещения изменение фотоэдс имело линейную зависимость от интенсивности света. Кроме того, скорость приращения фотоэдс уменьшается с увеличением интенсивности света. Эта взаимосвязь объясняется насыщением генерации электронно-дырочных пар (ЭДП) при воздействии высокой интенсивности света на подложку Si и гетеропереход SiC/Si. На рис. 3Б показана зависимость фотоэдс от положения светового пятна.Измеренное фотонапряжение было равно нулю, когда положение светового луча находилось посередине между двумя электродами. Измеренная фотоэдс увеличивалась по мере продвижения светового луча к левому (L) или правому (R) электродам. Это явление указывает на то, что наибольший градиент носителей заряда достигался, когда световой пучок падал прямо на электроды. На рисунке 3C показана зависимость значения TCR от фотоэдс, индуцированного интенсивностью и положением света. Максимумы ТКС увеличиваются с ростом фотоэдс в диапазоне от 0 до 2 мВ, а насыщение ТКС происходит с увеличением нормированной фотоэдс в диапазоне от 2 до 4 мВ.Результат указывает на то, что повышение значения TCR определяется увеличением градиента количества носителей заряда. На рисунке 3D показаны оптотермотронные характеристики при высоких температурах. Значение TCR уменьшается с повышением температуры, например, от -50%/К при комнатной температуре до приблизительно -10%/К при 350°С. Этот TCR чрезвычайно высок по сравнению с другими тепловыми детекторами, используемыми для высокотемпературных применений ( 8 , 10 , 11 , 19 , 20 ).Эти результаты демонстрируют высокий потенциал использования оптотермотроники для высокочувствительных термодатчиков при высоких температурах.

Рис. 3 Влияние фотоэдс и высоких температур на ТКР.

( A ) Фотоэдс в зависимости от интенсивности света. ( B ) Фотоэдс в зависимости от положения источника света. ( C ) TCR в зависимости от фотоэдс при изменении интенсивности и положения света. ( D ) TCR измерен при высоких температурах.

Оптотермотронный эффект показал уникальное туннелируемое и управляемое свойство.В диапазоне приложенных токов как менее 5 мкА, так и более 10 мкА абсолютное значение ТКС составляло менее 1,5 %/К (рис. 4А), что сравнимо со стабильным ТКС, измеренным для терморезистивного эффекта в темноте (рис. 2H, вставка). Это объясняется преобладанием градиента потенциала, создаваемого фотогальваническим эффектом, по сравнению с противоположным электрическим потенциалом при инжекции ( I I > 10 мкА. Таким образом, термически возбужденные носители заряда играют незначительную роль в температурной чувствительности.Однако приложенный ток обеспечивает достаточную компенсацию между потенциалом фотогенерированных носителей заряда и инжектируемым электрическим потенциалом, что приводит к небольшому измеряемому напряжению в диапазоне токов от 5 до 10 мкА. На рисунке S4 показано изменение электрического тока от 7,6 до 15,2 мкА для достижения максимального значения TCR путем управления градиентом фотовозбужденных зарядов при изменении фотонапряжения от 2 до 4 мВ. Носители заряда, генерируемые тепловым возбуждением, создают большой электрический потенциал по сравнению с начальным измеренным потенциалом.В зависимости от направления и величины инжектируемого электрического потенциала термоактивированные носители заряда могут перестраивать ТКС от положительных до отрицательных значений. Наблюдался самый высокий отрицательный TCR до -50% / K (рис. 4B). При фототоке полная разность потенциалов В o относительно мала из-за компенсации потенциала фотогенерированных носителей заряда и инжектируемого электрического потенциала. Носители заряда, возбужденные тепловой энергией, заметно увеличат эту разность потенциалов (т.г., выходное напряжение) при приложении инжектируемого тока. Таким образом, для платформы p + -SiC/p-Si при легком освещении были достигнуты сверхвысокие характеристики обнаружения с надежностью. Реализация нашего элемента TCR в настраиваемом датчике может быть очень полезной для широкого спектра применений в технологии освещения.

Рис. 4 Перестраиваемая оптотермотроника.

( A ) Зависимость ТКС от приложенных токов при световом освещении. ( B ) Увеличение TCR p + -SiC/p-Si при фототоке 7.6 мкА.

ОБСУЖДЕНИЕ

Усиление фотонапряжения, генерируемого в оптотермотронных устройствах, зависит от следующих параметров: (i) коэффициент поглощения фотонов, (ii) количество генерируемых ЭДП и (iii) сбор носителей заряда на электродах, который адаптирован процессом переноса носителей заряда между SiC и интерфейсом Si. На рис. 5А показано распределение заряда на границе раздела p + -SiC/p-Si и энергетическая диаграмма зоны. Из-за высокой концентрации легирования дырок 5 × 10 18 см −3 дырки из p + -SiC диффундируют в p-Si с более низкой концентрацией легирования 10 14 см −3 и уходят отрицательный заряд на стороне SiC гетероперехода.Электроны как минорные носители в p-Si, имеющие более высокую концентрацию, движутся к p + -SiC и генерируют положительный заряд на кремниевой стороне гетероперехода, создавая электрическое поле E o . Это электрическое поле изгибает валентную зону p + -SiC вверх по сравнению с p-Si. Формирование энергетической диаграммы зоны на рис. 5А основано на смещении зоны проводимости E C = 0,45 эВ и смещении валентной зоны E V = 1.7 эВ между SiC и Si ( 30 , 31 ). SiC с большой шириной запрещенной зоны 2,3 эВ показал незначительное поглощение. Таким образом, мы перенесли нанопленки SiC на стеклянную подложку и измерили сопротивление SiC при освещении различными длинами волн от ультрафиолетового (УФ) до видимого света (например, 375, 521 и 637 нм). Было измерено, что изменение сопротивления SiC было небольшим. При освещении видимым светом фотогенерированные ЭДП появляются в гетеропереходе и в слое кремния.Дырки и электроны, которые не объединяются, будут способствовать проводимости. Из-за неравновесных условий при световом освещении уровень Ферми E F расщепляется на два квазиуровня Ферми (например, E FC для электронов и E FV для дырок), создавая химическое энергия эВ = E FC E FV . Из-за большой концентрации дырок в p-Si и SiC градиент энергии Ферми для валентной зоны E FV меньше, чем градиент E FC (рис.5Б). Поскольку p-Si изначально имеет более низкую концентрацию дырок, чем p + -SiC, фотогенерированные дырки толкают энергию Ферми E FV,Si более заметно в сторону валентной зоны E V,Si по сравнению с сдвиг E FV,SiC в сторону E V,SiC . Это приводит к разности потенциалов между Si и SiC (т. е. E FV,Si E FV,SiC ) ( 32 , 33 ).Встроенное электрическое поле E o , создавая движущую силу, разделяет ЭДП и гонит фотогенерированные дырки в гетероструктуре к p + -SiC, а фотогенерированные электроны — к p-Si. В слое SiC эти дырки текут вправо (например, на электроде P или Q), потому что электрохимический потенциал уменьшается вправо. Из-за сильной рекомбинации на поверхности/электроде энергии Ферми сливаются в одну энергию Ферми (в точках P и Q).При повышении температуры акцепторы возбуждаются тепловой энергией и вносят вклад носителей заряда в валентную зону (рис. 5С). Например, тепловая энергия возбуждает носители заряда как в слоях SiC, так и в слоях Si. В диапазоне низких температур, например, ниже 100°C, только небольшое количество носителей заряда мигрирует в SiC по туннельному механизму, и было измерено, что ток между SiC и Si невелик (рис. S5). Поэтому вклад носителей заряда от Si незначителен при низких температурах.В области высоких температур выше 100°C термически возбужденные носители заряда из Si могут мигрировать в SiC посредством термоэлектронной эмиссии и туннелирования. Следовательно, ток от Si к SiC становится существенным при высоких температурах, а термически возбужденные заряды от Si оказывают более существенное влияние на усиление ТКО. Мы предполагаем, что термически генерируемые дырки в p-Si могут двигаться к p + -SiC за счет встроенного электрического поля E o и посредством туннельного механизма.Мы полагаем, что фотогенерированный ЭДП может генерироваться и в пленках SiC. Однако ожидается, что количество ЭДП, генерируемых в SiC, будет меньше, чем в Si, из-за незначительного поглощения пленками SiC видимого света. В зависимости от световых и тепловых условий ширина обедненной области может меняться, что приводит к туннельному переносу носителей от Si к 3C-SiC и наоборот. При низкой интенсивности света и низких температурах диодная конфигурация гетероперехода 3C-SiC/Si позволяет носителям заряда перемещаться от Si к SiC всякий раз, когда в Si имеются избыточные носители заряда (т.г., при фотонном возбуждении). Возможность движения носителей заряда в обратном направлении (например, через туннелирование) меньше по сравнению с прямым направлением (рис. S6). Неравномерное световое освещение индуцирует градиент этих фотовозбужденных зарядов, т. е. фотонапряжение, которое в сочетании с электрическим током регулирует напряжение 90 567 В 90 568 90 155 o 90 156 и увеличивает значение TCR. На рис. 6 показана концепция туннелированных носителей заряда в сочетании с настроечным током для улучшения характеристик обнаружения.

Рис. 5 Фотовозбуждение и тепловое возбуждение в p + -SiC/p-Si.

( A ) Распределение заряда и зонная диаграмма гетеропереходов SiC/Si в темных условиях. ( B ) Генерация и транспорт ЭДП в гетеропереходе SiC/Si при световом освещении. ( C ) Термически возбужденные носители и перенос тепловой энергией.

Рис. 6 Модуляция оптотермотронного потенциала.

( A ) (слева) Диаграмма энергетических зон p + -SiC, показывающая боковое фотонапряжение между двумя электродами.(В центре) Диаграмма энергетических зон p + -SiC, показывающая небольшой электрический потенциал при неравномерном освещении светом и настроечном токе. (Справа) Диаграмма энергетических зон, показывающая сдвиг электрического потенциала при тепловом возбуждении. ( B ) Фотогенерируемое напряжение, измеренное при освещении 2000 люкс. Четыре цикла включенного и выключенного состояний, демонстрирующие повторяемость бокового фотонапряжения. ( C ) Зависимость фотоэдс от изменения температуры.( D ) Измеренный электрический потенциал в зависимости от изменения температуры.

При неравномерном световом освещении концентрация дырок на электроде Q больше, чем на P, образуя градиент носителей заряда или фотонапряжение FV, [email protected]
(рис. 6A, слева). На рис. 6В показано это боковое фотонапряжение В фото , измеренное в режиме реального времени в состоянии ВКЛ/ВЫКЛ светового освещения 2000 люкс, демонстрирующее воспроизводимость и надежность сигнала.Время отклика на световое освещение оценивается как менее 50 мс, что соответствует частоте переключения выше 20 Гц (рис. S7). Это относительно быстрый отклик по сравнению с другими тепловизионными устройствами с типичным временем отклика в несколько секунд ( 22 ). Величина В фото уменьшалась с повышением температуры со скоростью 0,2%/К (рис. 6С). Это указывает на то, что химическая энергия уменьшается с повышением температуры. Уменьшение высоты энергетического барьера между p-Si и p + -SiC можно объяснить уменьшением разности энергий Ферми между p-Si и p + -SiC.Фотонапряжение индуцирует зарядный ток, который определяется законом диффузии Фика , где e и n — элементарный заряд и концентрация заряда соответственно; D — коэффициент диффузии, зависящий от подвижности носителей. При подаче тока смещения/поля от P к Q (т. е. отрицательного потенциала, приложенного к Q) энергия зоны SiC изгибается вверх от P к Q.Этот ток смещения соответствует электрическому полю E = −grad(φ), где φ — электрический потенциал, который движет ток поля j f в направлении, противоположном диффузионному току j d , которая выражается как ( 24 , 34 ) j f = σ/ e × град ( e φ), где σ — проводимость носителей заряда. Следовательно, ток поля компенсирует диффузионный ток, что приводит к относительно небольшому суммарному электрическому полю, которое было измерено как 90 567 В 90 568 90 155 o 90 156 .На рис. 6А (в центре) показана эта разность потенциалов 90 567 В 90 568 90 155 o 90 156, индуцированная между двумя электродами P и Q при комнатной температуре (25°C). При повышении температуры тепловое возбуждение дырок заметно увеличивает проводимость носителей заряда. TCR зависит от изменения измеренного напряжения TCR = ( V V O
O × 1 / δ T , где V и V O – измеренное напряжение при температуре T и комнатной температуре T o соответственно (рис.6А). Измеренное V o зависит от разности уровней Ферми между P и Q (рис. 6А, середина). При приложении тока смещения / поля тепловое возбуждение носителей заряда имеет тенденцию изгибать энергию полосы SiC вниз от P до Q (рис. 6A, справа). Если ток возбуждения меньше рассеянного тока, потенциал в P выше, чем в Q, что приводит к положительному TCR и наоборот. На рис. 6D показаны экспериментальные результаты изменения измеренного напряжения между клеммами P и Q при повышении температуры.Измеряемое напряжение изменялось примерно на 1000 %, а его знак менялся с положительного на отрицательный при повышении температуры от комнатной до 50°С. Для положительных максимумов ТКО начальный уровень Ферми P выше, чем у Q, что приводит к положительному V o . В этом случае абсолютная разность напряжений | В В или | меньше, чем у отрицательных максимумов ТКО, поскольку V o является отрицательным для отрицательных максимумов ТКО.Следовательно, положительные максимумы ТКО, показанные на рис. 4А, меньше, чем отрицательные максимумы ТКО. Когда ток возбуждения приближается к рассеянному току, напряжение относительно невелико. Поэтому изменения температуры вызывают большую разницу между В и В o (рис. 6А), что приводит к максимальному ТКС (рис. 4А). Кроме того, если ток возбуждения уменьшается и меньше рассеянного тока, напряжение уменьшается, что приводит к уменьшению значения TCR.Гигантское изменение успешно демонстрирует оптотермотронику как передовую технологию теплового зондирования для твердотельной электроники. Кроме того, неоднородное излучение было достигнуто с помощью встроенного источника света на светодиодах (LED), который работает в диапазоне длин волн. Например, экспериментальные данные показали, что прибор корректно работает с любыми длинами волн от УФ (370 нм) до видимого (780 нм) (рис. S8A). Следовательно, для реализации оптотермотроники неравномерное световое освещение может быть получено за счет интеграции светодиода, в том числе зеленого светодиода из нитрида галлия Al(Ga)N, выращенного непосредственно на SiC (рис.S8B) ( 35 ). Кроме того, наши экспериментальные данные (рис. S9) показали, что платформа 3C-SiC/Si может собирать солнечную энергию и функционировать как автономное генерирующее устройство, в то время как неоднородный свет просто реализуется с помощью концентрирующей линзы для фокусировки световых фотонов. на электродной площадке аппарата.

В заключение мы продемонстрировали сверхчувствительную технологию термозондирования, основанную на оптотермотронном эффекте в наногетероструктурах. Оптотермотроника использует связь фотонного возбуждения в гетероструктуре p + -SiC/p-Si и электрического тока настройки для управления тепловым возбуждением носителей заряда в нанопленках SiC, что приводит к гигантскому эффекту измерения температуры.Оптотермотронный эффект является электрически управляемым, при этом температурная чувствительность может быть перестроена от отрицательного TCR до положительного TCR путем компенсации фотогенерируемого градиента дырок и электрического потенциала. Мы обнаружили гигантское значение TCR, составляющее приблизительно −50 %/K с помощью оптоэлектронной связи, что в 100 раз больше, чем значение TCR, измеренное в темноте, и, по крайней мере, на два порядка выше, чем у современных коммерческих RTD-датчиков. Оптотермотроника может быть использована для значительного повышения производительности твердотельной электроники по сравнению с современными технологиями теплового зондирования.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*