автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Микроэлектронные преобразователи температуры с частотным выходом для подспутниковых ИИС

АЗЕРБАЙДЖАНСКОЕ НАЦИОНАЛЬНОЕ АЭРОКОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО

На правах рукописи УДК 621.382.001.63:681.518.3:528.855

ИБРАГИМОВ РАФАЕЛ АЛИГУЛЫ СГЛЫ

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ ДЛЯ ПОДСПУТНИКОВЫХ Ж

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАКУ - !998

Работа выполнена в Азербайджанском Национальном Аэрокосмическом Агентстве.

Научный руководитель;

- доктор технических наук, профессор Н.Дж.ГАДЖИЕВ Официальные оппоненты:.

- доктор физико-математических наук Ф.Дк.КАСИМОВ

- доктор физико-математических наук А.А.АББАСЗАДЕ

Ведущее предприятие - Азербайджанское Научно-производственное Объединение "Промприбор"

у, ¿2*

Зашта состоится " Л' ^-¿У&ОТз 1998 г. в у у час. на заседании Специализацированного Совета Н.004.31.01. по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Азербайджанском Национальном Агентстве по адресу:370106, Баку, пр.Азадлыг,159

Автореферат разослан " ¿/^¿¿'раЛ/\ 998 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук, //

старший научный сотрудник

ТАГИЕВ Р.А.

ООщая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

Преобразователи физических величин являются важнейшими нкциональными элементами подспутниковых информационно мерительных систем, во многом определяющими характеристики всей [стемы и эффективность ее работы.

Являясь органической частью службы глобального исследования адли с помощью средств космической техники, подспутниковые гформационно - измерительные системы включают в себя изучение мродных объектов, доступных контактным измерением. ' На »временном этапе эти исследования определяются как комплексные шерения физико - химических параметров природных объектов, злений и окружающей среды в пределах контрольно-калибровочных хлигонов, путем создания наземных, морских и воздушных верительных платформ.

При этом практическое использование полученной информации о эиродной среде требует не только высокой точности измерения, но и здежной достоверности результатов измерения. Благодаря этому воз-дкает необходимость решения задачи создания новых, более совершение технических средств измерения и обработки полученных данных.

К числу важнейших параметров, требующих контроля, измерения и чета относится температура. В зависимости от теплового состояла изучаемого объекта и разницы его температуры по отношению к кружащей среде, для одних и тех же объектов полученные космичес-ие снимки могут отличаться весьма существенно. При этом еобходимо выполнение целого ряда требований, вытекающих з специфики подспутниковых информационно - измерительных систем, ногие узлы которых размещаются в самых труднодоступных местах, де менее вероятно воздействие различных искусственных помех.

Наибол'.-; жесткие требования наряда с высокими метрологически« характеристиками предъявляются к габаритам, весу, потребляемо} мощности и аадожнис-тк. Бее эти требования могут оать ар»

ВСКОЛЬЗОВЗНИИ технологии МШфОЭЛ9КТрОНЛКИ з сочетании с обоснованными принципами преобразования и конструкторско технологичб скими решениями, что делает исследования проведенные I настоящей раоите актуальными.

Цель работы - исследование и разработка высокочувствительны; микроэлектронных преобразователей температуры с частотным вида» выч, даого сигнала для обеспечения дистанционных измерений н< различных платформах подспутниковых информационно - измерительны; систем.

Для достижения поставленной цели необходимо было решит1 комплекс задач, направленных на создание преобразователей, отвечающих как требованиям подспутниковых ИКС, так и современном; уровню измерительной техники. К их числу можно отнести:

- анализ условий функционирования подспутниковых №10 и определение- технических требований к преобразователям температуры;

- выбор соответствующей модели для проведения количественны; оценок метрологических характеристик в реальных условиях;

- анализ характеристик различных микроэлектроншх датчиков;

- разработка схемы и конструкции преобразователей температур!: с частотны:.', выходом и экспериментальное исследование ж характеристик;

Наряду с этим в задачу данной работы входило также решение вопроса термостабилизации различных датчиков, применяемых I подспутниковых ИИО.

Методы исследования.

Решение выдвинутых зздач было связано с проведением I««

теоретических, так и экспериментальных исследований различных вариантов датчиков, схемных решений и оценки их метрологических характеристик в условиях, характерных для наземных, морских и воздушных подспутниковых платформ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведены комплексные исследования микроэлектроншга параметрических преобразователей на базе различных типов ногатронов б широком диапазоне температур и'показана возможность их практического использовании в условиях подснутни • новых КИС;

- разработана схема универсального преобразователя напряжение - частота для преобразования выходного сигнала различных датчиков;

- предложена методика*, инженерного расчета микроэлектроаннх систем электрического термостатирования, основанная на принципе нереверсивного регулирования тепловых потоков;

- решена проблема обеспечения подспутниковых ИИС микроэлектронными преобразователя!® температуры с частотным выходом на ряд диапазонов;

- впервые предложены методы создания микрсэлектрошшх датчиков с нормированием величины выходного сигнала.

Практиче скоя це-иность.

.практическая значимость работы в том,что ее результаты позволяет расширить класс как микроэлэктрояных датчиков,так и пла-парных приборов используемых в микроэлектрзншх преобразователях.

Важным для практики результатом является анализ и апрооация различных вариантов микроэлектроннах датчиков температуры с частотным выходом. Разработанные микроэлектронике- датчики температуры, преобразователь напряжения в частоту, микротермостат

для стабилизации рабочей температуры различных интегральных структур и датчиков, являются конструктивно законченными,что позволяет использовать их не только в подспутниковых ИМС, но и в качестве самостоятельных приборов во многих отраслях народного хозяйства.

Автор защищает:

- выбранную модель для проведения количественных оценок метрологических характеристик датчиков в реальных условиях эксплуатации;

- разработанные микроэлектронные параметрические преобразователи на базе негатронов;

- предложенную схему преобразователя напряжение частота для преобразования выходного сигнала различных датчиков;

- методику инженерного расчета микроэлектронных систем электрического термостатирования, основанную на принципе нереверсивного регулирования тепловых штоков;

- методы создания микроэлектронных датчиков с нормированием величины выходного сигнала;

- конструктивные, схемотехнические решения и результаты ис следования разработанных преобразователей физических величин и электронных устройств.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом Института Космических Исследований Природных Ресурсов АНАКА .

Проведенный в работе комплексный анализ особенностей и условий эксплуатации преобразователей температуры применительно к отдельным платформам и звеньям подспутниковых ИИС позволяет облегчить процесс проектирования и выбор принципа преобразования, оценить априори метрологические характеристики разрабатываемых устройств в реальных условиях эксплуатации.

Апробация работы.

Материалы дисертационной работы докладывались и обсуждались на

-71-ой Международной конференции "Датчики электрических и неэлектрических величин", Барнаул, 1993 г., на 1-ой научно-технической конференции Национальной Академии авиации, Баку, 1997 г., на научных семинарах Национальной Академии авиации.

Публикации.

По результатом диссертационной работы опубликованы 6 научных трудов, в научных изданиях Азербайджанской республики и Российской Федерации.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения,четырех глав и основных выводов. Содержит 148 страниц машинописного текста, в том числе 36 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 103 наименований.

Содержание работы

В первой главе отмечается важность выдвигаемого научно-техническим прогрессом проблемы дальнейшего расширения глобального изучения земли,с помощью средств космической техники.

Проведение необходимых измерений требует включения в состав унифицированного полигонного измерительного комплекса, наряду с такими приборами, как спектрофотомеры, также системы температурных датчиков, обеспечивающих измерение распределения температур поверхности почвы,акваторий и приземного слоя атмосферы одновременно в пределах всего тестового участка.

Преимущества микроэлектронных датчиков открывают широкие перспективы для их применения в подспутниковых информационно-измерительных системах. Однако, практическое использование наталкивается на трудности,связанные с большим разбросом их характеристик от образца к образцу. Для решения этой проблемы предлагаются различные технологические, конструктивные и схемные методы, сильно отличающиеся в зависимости от типа чувствительного элемента,который может быть как пассивным, так и

активным элементом в электрической цепи.

Использование активных элементов • в качестве чувствительного элемента в интегральных преобразователях неэлектрических величин во многих случаях упрощает их принципиальную электрическую схему.

Однако, большие затруднения, связанные с технологическими возможностями получения активных приборов с идентичными характеристиками, осложняют возможность взаимозаменяемости преобразователей. Решение этой проблемы является весьма актуальной не только для микроэлектроники, но и для электронной техники в целом.В этой связи анализруется проблема уменьшения разброса характеристик применительно к структурам с р-п переходом, которые часто используется в качестве чувствительного элемента преобразователей температуры как при прямом ,так и при обратном смещении. Применение подобных преобразователей в подспутниковых ИИС требует решения ряда проблем. Так например , для -улучшения точности измерения отдельные наиболее часто проявляющиеся погрешности могут быть снижены за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления самого чувствительного элемента.Для уменьшения других составляющих погрешности требуется выбор рациональной схемы и конструкции сопряженных с датчиком электронных устройств, в частности устройств преобразования вида выходного сигнала, термостатирования и др.

Вторая глава посвящена выбору принципов построения микроэлектронных датчиков температуры и оценки юс характеристик. В подспуниковых ИИС перспективны преобразователи с частотным или частотно-импульсным видом выходного сигнала.Этот вид выходного сигнала в отличие от аналогового не связан со свойствами линии передачи, что позволяет беспрепятственно передавать информацию на значительное расстояние от измеряемого объекта до центральной станции наблюдения.Для создания микроэлектронных преобразователей

о частотным выходом выгодно использовать параметрически! принцип преобразования, например, используя интегральную схему релаксационного генератора, выходной сигнал которого меняет частоту при воздействии измеряемого фактора на один из компонентов схемы или на всю схему в целом.

Весьма перспективными для схем подобного типа являются активные элементы, имеющие участок отрицательного составления ( ОС ) на ВАХ . Во - первых, значительно упрощаются схемные решения, поскольку обратная связь осуществляется благодаря наличию4 внутренней положительной обратной связи в самом приборе. Это, в свою очередь, позволяет повысить надежность микросхемы за счет'' сокращения числа межсоединений при одновременном уменьшении габаритов и потребляемой мощности. Во-вторых, физические эффекты, приводящие к возникновению участка ОС на ВАХ, связаны с поведением неосновных носителей заряда, благодаря чему, характеристики этих приборов весьма чувствительны к изменениям концентрации, времени жизни, подвижности неосновных носителей заряда, вызываемым воздействием внешних факторов, что позволяет часто возлагать на них также функции чувствительного элемента преобразователя.

Обычно, в датчиках температуры в виде интегральной схемы НС-генератора стараются добиваться минимальной зависимости параметров активного элемента от температуры с тем, чтобы частота выходного сигнала изменялась пропорционально изменению параметров одного из пассивных элементов И или С. В этом случае в качестве задатчика температура возможно использование линейных температурных зависимостей емкости р - п перехода или же сопротивления диффузионных резисторов.

Показано, что использование диффузионных резисторов в качестве термочувствительного элемента в преобразователях более перспективно, чем емкости перехода. В этом случае важное значение

для суммарной погрешности преобразователя имеет выбор технологии изготовления пассивных компонентов схемы с учетом требования минимальной зависимости их значений от температуры и необходимости совместимости технологического процесса изготовления с другими элементами преобразователя.

Исходя из конструктивных и технологических требований, предъявляемых к пленочным элементам, в данной разработке выбрана тонкопленочная технология изготовления пассивной платы методом двойной фотолитографии.

В качестве материалов для подложки при формировании пассивной платы и самой микросхемы применен ситалл СТ-50-1. Пленочные резисторы в основном изготовлялись из сплава РС-3001, обладающего большим диапазоном удельного сопротивления на единицу площади. Выбранная технология позволяет также существенно облегчить процесс доводки отдельных компонентов, включая использование различных подгоночных или вспомогательных элементов.

Поскольку случайный характер значений внешних

дестабилизирующих факторов Х^в частности,изменений условлй окру-жаещей среда в момент аэрокосмических съемок, не позволяет проводить их оценки априори,возникает необходимость в их измерении и учета вклада каждого из них в основную погрешность преобразователя т.е. в выборе математической модели для оценки метрологических характеристик.

Проведенный анализ показал,что среди различных моделей наиболее подходящим является модель основной погрешности в применении к широкодиапазонным измерениям, характерным для условий эксплуатации подспутниковых ИИС .

Для оценки основной среднеквадратической погрешности прибора в реальных условиях эксплуатации используется следующая формула:

йосн=

бнл

п + Е 1=1

д X

2

•7 +

п Е

1=1

в Ь

(I)

1

где: боен - основная среднеквадратическая погрешность прибора

или системы в относительных единицах (или %%) , - начальная

лабораторная погрешность ,п -число учитываемых дестабйлизхирующих

факторов, —— мультипликативная чувствительность 'к I - ому 9 Х1

дестабилизирующему фактору, —— аддитивная чувствительность к

д х.

1 г

I - ому дестабилизирующему фактору; 5 з! - дисперсия I - ого дестабилизирующего фактора;? - весовой коэффицент, характеризующий использование шкалы измерительного преобразователя.

Введение в формулу коэффициента использования шкалы :

X

Хном

(2)

позволяет учитывать в правильных соотношениях вклад, вносимый как

аддитивной, так и мультипликативной составляющими этой погрешности

в общий показатель.

Учитывая,что наиболее представительной для данной серии

измерений точкой шкалы является математическое ожидание величины

измеряемого параметра шх .определяемого по формуле:

п

т =

п '

при Х= гая , из (2) получим:

щ

7 = -г- (3).

Хном

Таким образом, значение 7 может быть определено из анализа

статистических данных, характеризующих условия эксплуатации датчиковой аппаратуры.

Общим для всех факторов является то, что мощность Актора количественно характеризуется его дисперсией.

Статистические исследования законов распределения

физических параметров на платформах являются существенным этапом процесса определения по выбранной модели основной погрешности прибора, работающего в условиях воздействия комплекса дестабилизирующих факторов.

В заключение данной главы подробно анализируется метод расчета основной погрешности по выбранной модели с зспользова-нием экспериментальных данных.

В третьей главе приводятся результаты разработка преобразователей параметрического типа на базе негатронов для локальных измерительных узлов подспутниковых ИИС; анализируется один из возможных вариантов микроэлектронного преобразователя температуры с частотным выходом в виде интегральной схемы НС - релаксационного генератора на основе приборов с ВАХ Б - типа. При проектировании микроэлектронных датчиков температуры подобного типа можно выделить два направления:

-использовать активный элемент с минимальной зависимостью параметров от температуры с тем, чтобы частота выходною сигнала изменялась пропорционально изменению параметров одного из пассивных элементов (емкости или сопротивления).

- добиваться температурной независимости И и С, и использовать зависимость от температуры параметров самого активного элемента - негатрона.

С учетом этого, был проведен анализ возможности использования различных полупроводниковых негатронов в разрабатываемых датчиках.

Установлено, что при инверсном включении диффу-

зионных транзисторов на характеристике большинства из иля наблюдается участок 00 при смещении у - \2 3, что вполне приемлемо для интегральных схем.

Анализ существующих приборов с ОС позволил выбрать также другой тип активного элемента, обладающий относительно стабильными температурными характеристиками -бескорпуснсй однопереходный транзистор (ОПТ) марки К1-П9, обладающий приемлемым быстродействием, малыми токами включения и утечки эмиттерного перехода.

Показано, что выбор этих двух типов негатронов в качестве активных элементов в преобразователях температуры позволяет практически реализовать изложенные выше принципы и экспериментально сопоставить характеристики двух типов преобразователей в реальных условиях эксплуатации.

Разработанный преобразователь температуры с частотно-импульсным видом выходного сигнала имеет принципиальную схему, сходную с типовой схемой НС -релаксационного генератора на ОПТ, но с использованием в качестве температурно-чувствителъного элемента диффузионного резистора КГ1, включенного в эмиттернув цепь. Период колебаний подобного релаксационного генератора определяется выражением :

Согласно этому выражению частота релаксационных колебаний генератора зависит от коэффицента деления напряжения, величины сопротивления йт и емкости С, выбором которых можно регулировать как параметры выходного сигнала, так и его температурную зависимость.

Экспериментальные исследования показа.®, что частота выходного сигнала уменьшается с ростом температура г диапазоне о г-г+Я5°С,

( 4 }

кривая зависимости частоты от температуры имеет большую нелинейность, поскольку согласно выражению (4) следует ожидать линейную температурную зависимость для периода выходного сигнала.Такая

зависимость наблюдается для описанного преобразователя температуры

о о

на ОПТ в диапазоне от минус 50 С до + 95 С. В качестве рабочих

о _о

температур выбран диапазон от минус 45 0 до +8ь С.

Отмечается, что выбранная принципиальная схема, весьма

удобна для реализации многих других типов датчиков, благодаря

тому, что выходной сигнал является функцией неэлектрической

величины, воздействующей на резистор Вт . В качестве Л в других

вариантах можно выбрать тензорезистор, фоторезистор, зависящие от

влажности сопротивления и т.д. В каждом случае можно реализовать

соответствующий датчик с частотным видом выходного сигнала и

слабой его зависимостью от температуры, что обеспечивается

термостабильными параметрами ОПТ'.

Проведенные исследования показали,что инверсно - включенный

диффузионный транзистор сохраняет работоспособность и 5-образную

.о

БАХ вплоть до 240-250 С.В работе этот факт подтверждается анализом механизма возникнования участка ОС на характеристиках пленарного диффузионного транзистора при инверсном включении.

Период колебаний релаксационного НС - генератора в рассматриваемом случае, может быть описан выражением вида:

{и - и

Т - Р. С 1п -I пит вык

1 | и - и

[ пит вкл

В разработанном преобразователе температуры чувствительным элементом является диффузионный транзистор, работающий в режиме лавинного пробоя и инверсно включенный в схему НС- релаксационного

генерзтора.

Основным недостатком описанных датчикова при изготовлении по технологии интегральных схем является большой разброс характеристик, а также трудность подбора отдельных элементов схемы для получения линейной выходной характеристики в широком диапазоне температур. Таким образом, необходимо было решать проблему нормирования выходного сигнала, не прибегая к трудоемкой операции подбора И и С.

Было обращено внимание ,что согласно уравнениям (4) и (Б) величину выходного сигнала можно изменять, как за счет изменения й, так и за счет изменения емкости С. Подключение дополнительных резисторов за счет удаления перемычки, позволяет увеличить значение Н , т.е. уменьшить 1 В выбранном варианте НС -генератора, на опт изготовляемого по технологии гибридно-пленочных схем с навесным диффузионным резистором , подгоночные резисторы изготовляются в виде пленочных сопротивлений из кермета, одновремменно с формированием стабилизирующих резисторов.

Вместе с тем в топологии преобразователя верхняя обкладка конденсатора изготовляется из алюминия в виде полосок площадью соединенных друг с другом при помощи легко удаляемых перемычек Удаление каждой перемычки приводит к уменьшению площади обкладки конденсатора на Б,а следовательно и к уменьшению емкости конденсатора С.

В соответствии с уравнениями, уменьшение С приведет к увеличению величины Гр,ту . Таким образом комбинируя оба варианта: подключение подгоночных резисторов к Е? и удаление части верхней обкладки конденсатора, можно добиться регулирования величины частоты выходного сигнала Гвь;х или периода Т как в сторону уменьшения так и в сторону увеличения.

В конце данной главы приводится анализ метрологических

характеристик, позволяющий провести сравнительную оценку двух вариантов преобразователя температуры на базе негатронов:

- использование в кзчестве задатчика температуры диффузионного резистора, когда остальные элементы схемы, в том числе активный элемент - температурю независимы (вариант I);

- с использованием в качестве задатчика температуры самого активного прибора при температурно-незавксимых пассивных элементах (вариант 2).

Расчет значений среднеквадратичной погрешности проводился по формуле (I ). Аддитивные и мультипликативные составляющие погрешности были вычислены по экспериментальным данным с учетом соответствующих законов распределения.Проведенный сравнительный анализ показал,что нелинейность характеристик образцов в варианте 2 на порядок хуже , чем для варианта I. Величина суммарной среднеквадратичной погрешности больше для датчиков варианта 2.

Такт? образом, на практике целесообразно использование схем, в которых активный элемент имеет стабильные температурные характеристики, а задатчиком температуры служит резисторный элемент.

Как показали исследования, постоянная времени разработанных микроэлектронных преобразователей температуры не превышает 20-30 с.

Разработанный микроэлектронный преобразователь температуры на базе ОПТ в виде ГКО НС - релаксационного генератора с частотно - импульсным выходным сигналом обладает малыми габаритами и весом, низкой потребляемой мощностью, высокой надежностью и ресурсом.

Частотный вид выходного сигнала позволяет передавать его без помех по проводной связи на большие расстояния. Благодаря этим своим свойствам эти преобразователи рекомендованы для переносных локальных узлов наблюдения, где требуется установка большего количества датчиков температуры.

Четвертзя глава посвящена результатом исследования преобразователей температуры для стационарных систем подспутниковых измерительных комплексов.

Отмечается,что в условиях стационарных станций за счет выбора оптимальных источников питания ( стабилизированный источник тока или напряжения •) .добавления дополнительных компенсационных звеньев в схему датчика, использование ЭВМ и т.д. можно добиться большей помехозащищенности, обеспечить унификацию информационных данных поступающих в региональный центр. При этом в стационарных условиях значительно снижаются также требования к потребляемой мощности, габаритно - весовым характеристикам.

Проведены исследования по расширению области применения' наиболее перспективных для подспутниковых систем первичных преобразователей температуры (ППТ), путем перехода на частотный вид выходного сигнала. Созданный и разработанный прецизионный преобразователь напряжения - частота имеет большие перспективы, в связи с чем рассмотрены различные возможности его использования в комбинации с апробированными первичными преобразователями температуры, типа ППТ.

Конструктивно ППТ оформлены в виде структур с резервированием. Три электрически изолированных друг от друга кристалла обеспечивают заданные величины выходного сигнала, чувствительности и погрешности, при замене одного из них на другой.

Однако практика показала, что даже для специально отобранных по описанной методике ППТ разброс чувствительности 3 достигает 20 + 2Ъ% и вдобавок изменяется с температурой. '

Кроме того, применение сложного метода отбора представляет собой в условиях производства весьма трудоемкую и дорогостоящую процедуру. Очевидно, что более удобным было бы иметь возможность подгонки характеристик каждого ППТ под заданные значения чувствй-

тельности. Для решения этой проблемы мы воспользовались методом подгонки практически реализованным в модифицированном варианте ППТ.

Одновременно на кристалле изготавливают 4 последовательно соединенных диодов и б диодов, соединенных перемычками: из них 3-е большой, 3-е малой площадями. Для подгонки чувствительности удаляют перемычки. На диодах первой группы удаление каждой перемычки увеличивает 3 примерно на 2 - 2.5 мв/град. Удаление перемычки на диодах с малой площадью (II гр.) увеличивает 3 на 1.3-1.4 мВ/град.

Из проведенного анализа экспериментальных данных установлено, что в предлагаемых датчиках разброс чувствительности не превышает 0.5 %,то есть полученные датчики температуры обладают высокой идентичностью характеристик, что значительно расширяет область их применения, благодаря возможности взаимозаменяемости.

Разработанный преобразователь температуры коструктивно состоит из защитного корпуса из нержавеющей стали, чувствительного элемента ( ЧЭ ), выполненного на основе ППТ, интегрирующего преобразователя напряжение - частота, с импульсной обратной связью и выходного ключевого каскада.

Оценки основной и дополнительной погрешности 11НЧ проводились

снятием вольт-частотных характеристик в рабочем диапазоне темпе-

о .о

ратур минус 50 С + +50 С.

Диапазон изменения частоты выходных импульсов разработанного преобразователя температуры с ПНЧ в рабочем интервале температур составляет 2000 -20000Гц, при этом среднеквадратичная погрешность не превышает 08Т = 0.1%. Чувствительность в рабочем диапазоне составляет 560 Гц/град. Погрешность от гистерезиса и нелинейность характеристик не превышает 0.03%.

В этой же главе приводятся результаты проведенных нами работ по созданию и исследованию микротермостата, предназначенного для стабилизации температуры бескорпусных микроэлектронных датчиков

или дискретных полупроводниковых приборов, в рабочем диапазоне температур от - 60° до + 85°С.

Конструкция микротермостата представляет собой монолитный кристалл кремния, в котором методом планарно - диффузионной технологии изготовлена электрическая схема микротермсстата, нагревательный элемент и датчик температуры. Нагревательный элемент- транзистор выполняется на кремниевой подложке, в одной части которого созданы чувствительный элемент и схема регулятора температуры, другая часть транзисторного нагревателя вытравлена в виде прямоугольника с размерами, совпадающими с кристаллом статируемой схемы .

Благодаря тому, что нагревательный элемент охватывает статируемое устройство, температурные градиенты между элементами термостатируемой схемы, а также уход температуры статирования сводится к минимуму. После размещения статируемой схемы в отверстие, область внутри нагревателя и нагреватель заливаются электроизоляционной пастой на основе ВеО. Результаты эксперимента показали, что время выхода в режим микротермостата не превышает I мин.

Экспериментально полученная зависимость температуры статирования от изменения температуры окружающей среды позволяет заключить, что характерным для выбранной схемы и конструкции микротермостата является высокая точность поддержания Тст, составляющая + 2° С на весь диапазон изменения температуры окружающей среды от - 60° до + 85° С.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исходя из условий работы подспутниковых ИИС, проведен анализ различных вариантов датчиков температуры с частотным видом выходного сигнала, для их реализации по микроэлектронной

технологии. Обоснован выбор датчиков параметрического типа на основе приборов с участком отрицательного сопротивления на ВАХ, наличие в которых внутренней положительной обратной связи позволяет значительно упростить реализацию структуры чувствительный элемент -. передающее устройство в виде интегральной схемы НС - релаксационного генератора.

2. Выполнен-.комплекс теоретических и экспериментальных исследований температурных характеристик выбранных двух типов негатронов - однопереходного транзистора и инверсно - включенного диффузионного планарного транзистора - в качестве активных элементов преобразователей температуры с частотным выходным сигналом. На их базе разработаны и изготовлены микроэлектронные преобразователи в виде ГИС ЙС - релаксационного генератора, предназначенные для работы в составе подспутниковых локальных измерительных узлов.

3. Впервые предложен конструкторско - технологический принцип нормирования выходного сигнала ГИС ЕС - генератора за счет включения в топологи», наряду с подгоночным резистором, также подгоночного конденсатора. Подключение в схему Н^др приводит- к уменьшению частоты выходного сигнала, а подключение Спадг - к ее увеличению. Предложенный принцип позволяет уменьшить разброс еыходного сигнала созданных преобразователей в пределах партии образцов, что делает возможным их резервирование и взаимозаменяемость в процессе эксплуатации.

4. На основе выбранной математической модели погрешности, проведен сравнительный анализ метрологических характеристик разработанных преобразователей, позволивший также оценить два, принципиально отличающихся подхода к их построению:, с использованием в качестве задатчика температуры пассивного элемента ИС - схемы ( вариант 1 ) и самого активного негатрона

( вариант 2 ). Установлено, что лучшими характеристиками и технологичностью обладает 1 вариант, созданный на базе ОПТ. В диапазоне температур от минус 50° до + 50°С частотно - импульсный выходной сигнал изменяется с крутизной 0.03 мкс/град, среднеквадратичная погрешность составляет 0.3 % , при постоянной времени < 30 с.

Преобразователи на базе инверсно - включенного транзистора

для получения линейных характеристик требуют подбора элементов

схемы, но способны работать при более высоких температурах, вплоть о

до 200 С.

5. Практически реализованы и исследованы характеристики модернизированного варианта первичного преобразователя температуры типа ППТ.С целью дальнейшего расширения функциональных возможностей ППТ, разработан и испытан преобразователь напряжения - частота, отличающийся высокой линейностью и температурной стабильностью характеристик. Использованием его в комбинации с ППТ создан прецизионный преобразователь температуры с частотным выходным сигналом, предназначенный для работы в условиях стационарных подспутниковых ИИС.

6. Разработана принципиальная схема, конструкция и создан микроэлектронный термостат, позволяющий исключить температурные составляющие аддитивной и мультипликативной погрешности различных типов микроэлектронных датчиков неэлектрических величин, используемых в подспутниковых ИИС. Кольцеобразный нагревательный элемент охватывает статируемое устройство и обеспечивает однородность температурного поля в зоне статирования. В диапазоне температур окружающей среды от минус 50°С до + 85°С точность поддержания температуры микротермостатом составляет ± 2°С.

"РА-

СПИСОК опубликованных работ по теме диссертации

1. Ибрагимов P.A., Гаджиев Н.Д. и др. Прецизионный преобразо-,. взтель температуры с частотным выходом на основе ППТ.- Препринт" АНАКА № 123, Баку , 1993 , 10 С.

2. Ибрагимов P.A., Гаджиев Н.Д., Алиев А.Б. и др. Интегральные датчики температуры с высокой идентичностью характеристик.-Тезисы докл. 1-ой Международной конф. "Датчики электрических и неэлектрических величин", Барнаул, 1993 , ч.1, с. 45.

3. Ибрагимов P.A.., Гаджиев Н.Д., Алиев М.И. и др. разработка микротермостата для микроэлектронных датчиков.- Препринт АНАКА je 122, Баку, 1993, 11, с.

4. Ибрагимов P.A., Пашаев A.M., Гаджиев Н.Д. Высокотемпературные микроэлектронные датчики температуры на основе кремния.-Тезисы докл 1-ой Научно-технической и методической конф. Национальной Академии Авиации. Баку, 1997, с.28.

5. Ибрагимов P.A., Пашаев A.M., Гаджиев Н.Д. Способ нормирования выходных характеристик датчика температуры в виде релаксационного RC-генератора.- Тезисы докл. 1-ой Научно-технической и методической конф. Национальной Академии Авиации. Баку, 1997, с.29.

6. Ибрагимов P.A., Пашаев A.M., Гаджиев Н.Д. Датчик температуры на основе двухбазоваго диода.-. Тезисы докл. Т-ой Каучно-техни-ческой и методической конф. Национальной Академии Авиации. Баку, 1997, с.30.

Р.е.йЕРАлШОВ

ИеЛкалты информэсада-елчмд системл*ри учун тезлик чихышлы микроелектрон температур чеБиричилери

X У Л А С Э

Диссергас^а им, пед'калты елчу комплекслэр учун чыхыш сигнала тезлкк невлу Перарэтин мигсрселектрон чевиричилэрикин ^арадылмасында физики,конструктор - технологи за схематик принсшлврикин тедгиги ве ишлениб пазырланмасына пэср олунмушдур.

Мухтэлкф истисмар шэраитлэри учуй елчулэн паряметрин бэ стабиллио'и пезан факторларин статистик пзЛланма ганунлары „риЗази кезлэмэнин ве дисперс/^анын эдоди ги,}мэтлэри те'Мин едилмишдир.

Биркэчкдли транзистор тезлик ве т^злик-кмпулс н&влу чыхыш сигналы олан лазере гошулмуы планар диссфузлу транзистор базасында Ьерарэтин микроелектрон чевиричилэршвш ,]арадылмасында конструктор -технолог»! со схематик усуллзр инкишаф етдирилмишдкр.Кзркинлик-тез-лик универсал чевиричи илэ комбинас^ада ЬИЧ (Ьэрэрэтин илкин чевиричиси) типли датчики эсасында претсизкон 1'юрарет датчики ишлениб Ьазырланшшдар. Мухтелиф микросхем вэ датчиклэрин рарэт хэталаршшн азалдалмасы мэгеадиле даирэви формалы иотилик элемента олан микротермостат теклиф олунмут ве реализо одилмишдир.

R.A.IBRAGIMOV

The microelectronic transducer of temperature with frequency output for undersatellite informational measuring system

Annotation

The dissertation is defoted to research and making up oI physical, construction - technoJoqical and . schemotechnical principles of creation microelectronic transducers oi temperature with frequency type of output signal undersatellite measuring Complexes.

The statistical laws of distribution of measuring parameter and destabilising factors,the digital estimates of matematlcal expectation .and dispersion for various condition of exploitation had determined.

The mlcroelektronlc transducers of temperature on the basis of unijunction transistor and planar - diffused transistor with inverse Junction having frequency and frequency - Impulse type of output signal are defeloped.

The precisions! transducer of temperature on the basis of initial temperature sensors in combination with universal transducer of voltage - fredusncy is developed . To lower the error of temperature nature of varions microschmes and sensors the microthermostat with circle configuration of heating element is suggested and realised.