5. SENZORY EPLOY Základné častice látok atómy a molekuly sú v neustálom chaotickom mikroskopickom pohybe, ktorého makroskopický prejav dávame do súvislosti s fluidom teplom. Pre množstvo tohoto tepla, súvisiace s určitým stavom látky, sa zaviedla termodynamická veličina teplota. eplota je mierou intenzity tepelného pohybu, to znamená, charakterizuje strednú kinetickú energiu mikročastíc. Ľudské zmysly nie sú schopné merať veľkosť tepla, t. zn. presné hodnoty teploty, ale iba rozlišujú rozdiely teplôt. Z toho vyplýva, že teplota môže byť určená iba nepriamo meraním nejakej teplotne závislej kvantity, z ktorej sa pri porovnaní so základným stavom dedukuje jej hodnota. Prvé senzory teploty teplomery využívali tepelnú roztiažnosť látok a patria stále medzi najrozšírenejšie. Základom rôznych teplotných stupníc boli vždy dva pevné body. Dodnes sa používa teplotná stupnica Fahrenheita, ktorý v roku 1706 vybral za 0-vý bod teplotu zmesi vody, ľadu a amoniaku, a za 96 bod teplotu ľudskej krvi. Švédsky profesor astronómie Celsius v roku 1742 navrhol za 0 považovať teplotu tavenia ľadu a za 100 teplotu varu vody. Anglický fyzik Kelvin zaviedol tzv. termodynamickú stupnicu teploty, kde 0 K je absolútne najnižšia teoretická hodnota teploty, kedy kinetická energia tepelného pohybu mikročastíc je nulová. Druhým pevným bodom je 273,16 K pri tejto teplote sa nachádzajú vodná para, voda a ľad pri tlaku 4,58 mm Hg v rovnováhe (tzv. trojný bod vody). Lineárne stupnice Celsiusa a Kelvina majú tú istú smernicu (0 C = 1K) a napríklad teplota topiaceho sa ľadu je 0 0 C = 273,16 K, vriacej vody 100 C = 373,16 K, izbové teploty približne 20 C = 293 K alebo 27 C = 300 K. Z hľadiska senzoriky je teplota jednou z najdôležitejších veličín, pretože ovplyvňuje prakticky všetky fyzikálne, chemické a biologické javy, využívané v senzoroch. Preto presné, reprodukovateľné a stabilné meranie a monitorovanie jej hodnôt je nevyhnutnou podmienkou pre prevádzku moderných senzorov. Pri meraní teploty by mal senzor byť v tepelnej rovnováhe s meraným objektom. Prenos tepla (tepelnej energie) môže nastať tromi spôsobmi: vedením (kondukcia), prúdením (konvencia) a žiarením (radiácia). Konvencia tepla vyžaduje pohyblivé kvapalné alebo plynné médium, tepelná radiácia priepustnosť prostredia pre infračervené žiarenie a pre kondukciu tepla je potrebný tesný fyzikálny kontakt meraného objektu a senzora, aby mohol nastať vzájomný prenos kinetickej energie vibrujúcich atómov. epelná rovnováha medzi senzorom a objektom sa dosahuje najmä dvomi spôsobmi: a) tesným fyzikálnym kontaktom kontaktné teplotné senzory; b) žiarením radiačné teplotné senzory (detektory).
5.1. Fyzikálny princíp kontaktného senzora teploty Pri kontaktnom meraní teploty prechádza teplo z teplejšieho objektu do chladnejšieho senzora cez rozhranie tvorené ich tesným fyzikálnym kontaktom (obr. 5-1). eplo je v objekte uložené vo forme kinetickej energie mikročastíc, a preto tepelná kapacita objektu C o bude závislá od jeho hmotnosti m o a materiálu, charakterizovaného merným teplom c o : C = m c (5.1) o o o Prechod tepla z objektu na senzor nastáva cez ich kontaktné rozhranie, na ktorom je gradient teploty d o s grad = = (5.2) dx x x o s kde o je teplota objektu a s je teplota senzora. Pri spojení senzora s objektom vždy vzniká tepelný kontaktný odpor R rozhrania, daný mikrodrsnosťou a nerovinnosťou povrchov. Obr. 5-1 Model kontaktného senzora teploty epelný tok dq/dt cez rozhranie je úmerný gradientu teploty d/dx, kontaktnej ploche A a tepelnej mernej vodivosti k dq d 1 = ka = (0 s ) (5.3) dt dx R pričom x o xs R = (5.4) ka
Nech C s je tepelná kapacita senzora C = m c (5.5) s s s kde m s a c s sú hmotnosť a merné teplo senzora. Pre jednoduchosť predpokladajme, že tepelná kapacita objektu C o >> C S, t. j., že jeho teplota je nezávislá veličina (objekt je tzv. nekonečný tepelný zdroj alebo zásobník). eplo prechádzajúce z objektu na senzor 1 dq = (s o )dt (5.6) R a teplo prijaté senzorom dq = m c d C d (5.7) s s = s sa rovnajú (tepelné straty parazitnou vodivosťou, prúdením a vyžarovaním zanedbávame) 1 (o s )dt = Cs d (5.8) R Separáciou premenných dostaneme diferenciálnu rovnicu 1. rádu d o s dt = τ (5.9) kde tepelná časová konštanta τ závisí od tepelného kontaktného odporu a tepelnej kapacity senzora τ = R Cs (5.10) Rovnica (5.9) má riešenie v tvare s o o s0 t τ = ( ) e (5.11) ak teplota senzora v čase t = 0 je s = s0. Ak s0 = 0 (t = 0), potom dostávame zjednodušený tvar funkcie s t τ = (1 e ) (5.12) o ktorá popisuje odozvu senzora 1. rádu (obr. 5-2). Časová konštanta τ je rovná dobe, keď teplota senzora dosiahne 63,2 % teploty objektu. Čím je časová konštanta τ menšia, tým je rýchlejšia odozva senzora.
Obr. 5-2 Časový priebeh teploty senzora pri ideálnom spojení s objektom eoreticky až za nekonečne dlhý čas (t ) nastane tepelná rovnováha medzi objektom senzora ( s = o ). V praxi sa však požaduje len určitá presnosť. akže pre t = 3τ Τ bude s = 0.95 o, pre t =5τ Τ sa presnosť zvyšuje na s = 0.993 o, a pre t = 10τ Τ je už možné uvažovať tepelnú kvázirovnováhu medzi objektom a senzorom, s = 0.99995 o.
5.2. ermoodporové mikrosenzory Už od 19. storočia sa využíva pre meranie teploty termoodporový jav závislosť elektrického odporu materiálov od teploty. Rezistivita tuhých látok sa môže vyjadriť vzťahom 1 ρ = (5.13) qnµ kde q je náboj, n koncentrácia nosičov náboja a µ ich pohyblivosť. V prípade kovov sú nosičmi náboja elektróny (q = -e), ktorých koncentrácia je teplotne nezávislá (n 10 22 /cm 3 ) a s teplotou sa mení iba ich pohyblivosť vplyvom interakcie s kmitajúcou kryštalickou mriežkou (fonónmi), µ = f (). V polovodičoch sú nosičmi náboja elektróny i diery (q = ±e) a ich koncentrácia, ako aj pohyblivosť sú závislé od teploty, n,µ = f(). ermoodporový jav sa v praxi charakterizuje teplotným koeficientom odporu KR 6 [ 10 / K ] 1 R( ) Ro(0 ) KR = (5.14) R ( ) o 0 0 kde teplotný rozsah ( 0 ) a jemu odpovedajúce hodnoty odporov R(), R o ( 0 ) sú špecifikované normami. 5.2.1. Kovové odporové mikrosenzory Najpoužívanejšie materiály, ktoré spĺňajú požiadavku veľkého KR, teplotnej a časovej stability, sú platina a nikel. Odporové senzory sú alebo vo forme drôtikov, alebo tenkých vrstiev. enkovrstvové odporové mikrosenzory vďaka miniaturizácii majú malú tepelnú kapacitu a malý teplotný odpor voči okoliu (vyššiu rýchlosť odozvy, lepšie dynamické vlastnosti) a je možné ich vyrábať hromadnými technológiami hybridných elektronických obvodov (obr. 5-3). Je možné ich použiť ako čipy, alebo zapuzdrené v keramických a kovových obaloch. kontakty Pt alebo Ni meander Si/SiO 2 alebo Al 2 O 3 podložka Obr. 5-3 enkovrstvový kovový odporový mikrosenzor teploty Približne lineárna závislosť Pt a Ni senzorov teploty je presne definovaná normou a prevodnou charakteristikou (obr. 5-4, tab. 5.1) R 0 2 3 [ 1 + A + B + C( 100 ) ] = R (5.15)
kde odpor R 0 pri 0 C má hodnoty 100, 500, 1000 Ω. 400 350 R [Ω] 300 250 200 150 100 50 Ni R O =100 Ω Pt 0-200 0 200 400 600 800 [ C] Obr. 5-4 Prevodné charakteristiky Pt a Ni senzorov teploty eplotný rozsah Pt senzorov je väčší, presnosť, časová stabilita a chemická odolnosť vyššia ako u Ni senzorov, ktorých výhodou je väčšia citlivosť (tab. 5.1). ab. 5.1. Parametre Pt a Ni senzorov teploty ρ [10-8 Ωm] eplotný rozsah [ C] A [ C -1 ] B [ C -2 ] C [ C -4 ] W 100 (R 100 /R 0 ) -5,8.10-7 - Pt 10,6 0 850 3,9.10-3 -200 0 3,9.10-3 -5,8.10-7 -12-4,3.10 1,3850 Ni 13,6-60 180 6,6.10-3 7,9.10-6 - 1,617 5.2.2. Kremíkové mikrosenzory Kremík sa využíva v senzoroch teploty iba v dotovanom stave (t. zn. s prímesami B, P, As) a to vo forme Si doštičky alebo lokálne vytvorenej vrstvy (difúziou, implantáciou, depozíciou). Zvyšovaním koncentrácie prímesí a veľkosťou polykryštalických zŕn sa mení KR kremíka od záporných do kladných hodnôt. V teplotnej závislosti rezistivity n-typu Si je možné rozlíšiť tri oblasti (obr. 5-5).
Obr. 5-5 Schematické zobrazenie závislosti rezistivity ρ od teploty pre n-si Oblasť nízkych teplôt <l> - s rastom teploty sa prímesi (donory) ionizujú, rastie koncentrácia elektrónov (vplyv poklesu pohyblivosti je relatívne malý) rezistivita klesá. Oblasť stredných teplôt <m> - všetky prímesi (donory) sú ionizované, koncentrácia elektrónov je konštantná, so zvyšovaním teploty sa zväčšuje rozptyl elektrónov na kmitoch kryštalickej mriežky (fonónoch), pohyblivosť klesá rezistivita sa zvyšuje. Oblasť vysokých teplôt <h> hustota elektrónov sa zvyšuje tepelnou aktiváciou elektrónov z valenčného do vodivostného pásma rezistivita znova klesá. enkovrstvové odporové poly-si senzory Pre technickú prax je najzaujímavejšia stredná oblasť <m>, v ktorej teplotná závislosť rezistivity je determinovaná stupňom dopovania Si: pri nízkych koncentráciách prímesí (10 14-10 17 cm 3 ) rezistivita rastie s teplotou, ale rezistivita vysokodopovaného Si (10 19-10 20 cm 3 ) je viac-menej nezávislá od teploty (dominantný rozptyl elektrónov je na prímesiach). Je potrebné poznamenať, že uvedené úvahy platia pre monokryštalický objemový kremík, kde Si odpory sa vytvárajú vo forme meandrov pomocou difúzie alebo iónovej implantácie. V prípade rezistivity tenkých vrstiev Si (V Si) dôležitú úlohu hrajú ďalšie dva faktory: rozptyl elektrónov na povrchoch vrstvy (rozmerový jav hrúbky vrstvy) a na hraniciach zŕn (polykryštalická štruktúra vrstvy). Ak uvažujeme Si dostatočne hrubé (pre h 1µm rozmerový jav môžeme zanedbať), potom celkový odpor polykryštalickej vrstvy: R = R + R (5.16) poly kr hz kde teplotná závislosť odporu kryštálov R kr bude determinovaná stupňom dopovania Si a bude kladná KR kr > 0. Príspevok odporu hraníc zŕn bude dominantný pre
nízkodopovaný Si, R hz >> R kr a so zvyšovaním teploty klesá KR hz < 0. Z toho vyplýva dôležitý poznatok pre praktické aplikácie. eplotný koeficient odporu polykryštalických V Si KR poly, je možné meniť od kladných do záporných hodnôt vhodnou technológiou prípravy V: depozíciou s dopovaním, teplotným spracovaním, laserovou aktiváciou prímesí a pod. Pre iné aplikácie (napr. tenzoodporové Si senzory tlaku) je možné vytvárať teplotne nezávislé odpory (KR poly = 0) vzájomnou kompenzáciou KR kr > 0 a KR hz < 0. Si - senzory teploty založené na odpore šírenia Zo závislosti na obr. 5-5 vidieť, že rezistivita n-typu Si s teplotou rastie v oblasti od -50 0 C do 150 0 C. Pri technickej realizácii odporové Si termometre (n Si meandre v p-si substráte) sú odizolované od podložky iba p-n prechodom, ktorý je zdrojom parazitných prúdov teplotne závislých. ento nedostatok odstraňuje špeciálne usporiadanie kontaktov senzora, umožňujúcich merať tzv. odpor šírenia Si-substrátu (obr. 5-6), ρ R = (5.17) 2d ktorý je závislý iba od rezistivity ρ kremíka a priemeru d bodového kontaktu, pričom d << h, h je hrúbka Si-substrátu. Obr. 5-6 Odpor šírenia Si-senzorov a teploty Pod horným bodovým kontaktom (d 20 µm) a spodným veľkoplošným ohmickým kontaktom, sú v n-type substrátu nadifundované oblasti s vysokou koncentráciou prímesí n +. Odpor R() takejto štruktúry n + /n/n + vykazuje parabolickú závislosť od teploty (obr. 5-7) 2 R ( ) = R(0 )1 + A + B (5.18) ( ) kde R(0) je odpor pri 0 C (obvykle 2 kω). Je dôležité si uvedomiť, že vzhľadom na vysokú dotáciu v n + oblastiach sú nosičmi náboja prakticky iba elektróny. Ak bodový kontakt má zápornú polaritu, potom odpor rastie s teplotou, pretože nastáva iba rozptyl elektrónov na kmitoch kryštalickej mriežky (koncentrácia elektrónov sa nemení). V oblasti vysokých teplôt 200 0 C nastáva tepelná aktivácia elektrónov z valenčného do vodivostného pásma a odpor klesá (obr. 5-7, krivka A - ), t. zn. že senzor má hornú limitnú prevádzkovú teplotu okolo 150 0 C.
eplotný rozsah tohoto senzora je možné rozšíriť zmenou polarity elektród - bodový kontakt bude mať kladný potenciál voči veľkoplošnému kontaktu. V oblasti vysokých teplôt síce v strednej časti n-si substrátu vznikajú nové elektróny a diery, ale n +- vrstva pod kladným bodovým kontaktom má veľký nedostatok dier (deficit sa zväčšuje zvyšovaním prúdu), ktoré podporujú vodivosť v n-oblasti. Z podmienok rovnováhy potom vyplýva, že zvýšenie vodivosti bude limitované množstvom dier, ktoré je schopný veľmi malý n + bodový kontakt produkovať. Hoci nastáva tepelná aktivácia nosičov náboja, odpor takého prvku sa bude stále zvyšovať s rastom teploty až do 350 C v závislosti od veľkosti prúdu (obr. 5-7, krivky A + ). Obr. 5-7 Prevodné charakteristiky senzora odporu šírenia 5.2.3. ermistory ermistory je skrátený názov pre tepelne citlivý rezistor, ktorý je charakterizovaný veľmi veľkým KR. ermistory sú zhotovené zo zmesí keramických polykryštalických materiálov, oxidov Mg, Ni, Ca, Fe, Ba, Sr, i, Cu, majúce polovodivé vlastnosti n- alebo p-typu. Ich odpor silne závisí od teploty a závislosť má exponenciálny tvar R( ) = R 0 ( 0 )e 1 1 β ( ) 0 (5.19) kde β je materiálová teplotná konštanta (3000 5000 K) a R( 0 ) je odpor pri vzťažnej teplote 0 (obvykle 25 C). Významnou vlastnosťou termistorov, okrem strmej prevodnej charakteristiky, je aj závislosť KR od teploty β KR (5.20) 2 čo sa oboje využíva v aplikáciách temistora ako inteligentného materiálu.
ermistory môžu mať záporný KR NC termistory /negastory/ (napr. oxidy Ni, Fe, Mg) alebo kladný KR PC termistory /pozistory/ (napr. materiál BaSriO 3 ). Porovnanie ich prevodných charakteristík ukazuje, že PC termistor vykazuje nemonotónnu závislosť odporu od teploty (obr. 5-8) a po počiatočnom miernom poklese jeho odpor od určitej hraničnej teploty h prudko stúpa. 10000 50 NC PC 1000 40 R [Ω] 30 100 20 10 100 0 10 20 0 30 h40 50 60 70 80 [ C] Obr. 5-8 Závislosť NC a PC termistorov od teploty Významnou vlastnosťou termistorov, v praxi široko využívanou, je ich samoohrev vplyvom napájacieho prúdu. Prúd I prechádzajúci termistorom R tr, môžeme nastaviť, resp. obmedziť odporom R pri použití napäťového zdroja U o (obr. 5-9). U tr R R tr tr U o I R 0 Obr. 5-9 Zapojenie termistora pre analýzu jeho samoohrevu V rovnováhe bude elektrický výkon P el dodávaný do obvodu spotrebovaný na tepelné straty termistora P st a tepelný výkon absorbovaný termistorom P ab P = R + P (5.21) el st sb Elektrický výkon dodávaný termistoru bude: Pel = UtrI (5.22) epelné straty termistora, ktorý má teplotu tr do okolia o teplote o :
dqst = = δ (tr ) (5.23) dt Pst 0 kde δ je rozptylový činiteľ rovný tepelnej vodivosti 1/R termistor / okolie 1 δ = (5.24) R epelný výkon absorbovaný termistorom o tepelnej kapacite C je P dqab dtr = C (5.25) dt dt ab = Dosadením rovníc (5.22) až (5.25) do rovnice (5.21) dostaneme diferenciálnu rovnicu, popisujúcu časový priebeh teploty tr termistora dtr Utr I = δ (tr 0 ) + C (5.26) dt Ak dodávame konštantný elektrický výkon (P el =konšt.), potom riešenie rovn. (5.26) je v tvare t P el τ = tr 0 = ( 1 e ) (5.27) δ tr 0 } τ zapnutie el. výkonu t Obr. 5-10 Vzrast teploty termistora Δ s časovou konštantou τ kde časová konštanta τ charakterizuje dobu teplotu v porovnaní s okolím (obr. 5-10) C = = R δ termoohrevu termistora na vyššiu τ C (5.28) Za dostatočne dlhý čas (t ) sa ustanoví tepelná rovnováha ( e 0 ) a tepelné straty budú rovné elektrickému výkonu: δ = U I (5.29) tr Na základe tohoto vzťahu môžeme špecifikovať rôzne použitie samovyhrievateľného termistoru podľa toho, ktorá veličina je premenná: t τ
δ (tepelné straty) hladiny kvapalín - vákuový manometer, anemometer, prietokomery, senzor - merač mikrovlnného výkonu, tepelný infračervený senzor U tr, I - automatické ovládanie zisku, samoregulácia napätia, alebo prúdu, nedeštruktívna prúdová poistka, samovyhrievateľný termostat. Príkladom samoregulácie napätia je voltampérová charakteristika NC termistora (obr. 5-11), keď vplyvom samoohrevu jeho odpor prudko klesá. Obr. 5-11 Voltampérová charakteristika NC termistora Voltampérová charakteristika PC termistora (obr. 5-12) predurčuje jeho využitie ako nedeštruktívna (znovunastaviteľná) prúdová alebo tepelná ochrana (poistka).
Obr. 5-12 Voltampérová charakteristika PC temistora
5.2.4. Pomerový a vzťažný mikrosenzor teploty alebo rozdielu teplôt Efektívnou metódou pre zlepšenie presnosti senzorov je pomerová technika, ktorej podstata je v použití dvoch senzorov: jeden aktívne reaguje na meraný stimul a druhý je referenčný senzor, ktorý je odtienený alebo necitlivý na daný stimul. áto štrukturálna kompenzácia nežiadúcich faktorov, ako vplyv nestability napájacích zdrojov, vlhkosti, tlaku, teploty, stárnutia, nemôže potlačiť chyby senzora spôsobené nedokonalosťou technológie pri jeho výrobe. V praktických aplikáciach veľmi často je potrebné merať (monitorovať) čo najpresnejšie iba rozdiely teplôt, pričom sa používa klasická pomerová metóda založená na dvoch meracích kanáloch (obr. 5-13). Potom je veľmi obtiažne dodržať požiadavku vysokej presnosti, reprodukovateľnosti a vzájomnej vymeniteľnosti senzorov - komplikuje to technológiu a podstatne zvyšuje výrobné náklady. V podstate ide o realizáciu senzorov s presne definovaným odporom R 0 pri danej teplote a najmä s definovanou citlivosťou (presným teplotným koeficientom odporu KR). Dodatočné nastavovanie (justovanie) odporov je súčasťou technológie výroby (individuálna kompenzácia), ale dodatočná úprava KR (t.zn. citlivosti senzora) je v praxi nemožná. a) b) Obr. 5-13 Pomerová metóda merania teploty: a) klasické zapojenie, b) nové zapojenie ento nedostatok odstraňuje asymetrická pomerová metóda vzťažného merania teploty alebo rozdielu teplôt [ ]. Progresívnosť novej metódy spočíva v integrovaní požiadaviek jednoduchosti technológie výroby mikrosenzorov a presnosti merania teploty, ale najmä rozdielu teplôt. Je ju možné aplikovať pri použití mikroelektronických technológií, najmä technológií tenkých a hrubých vrstiev - nie je vhodná pre diskrétne makroskopické senzory teploty.
Pomerové a vzťažné meranie rozdielu teplôt Meracie odpory KR>>0 Meracie odpory KR>>0 +U N kontakty R m odporové V R vr podložka R v R mr U výst -U N 1 2 Obr. 5-14 Integrovaný pomerový a vzťažný mikrosenzor rozdielu teplôt = r Základom sú nerovnaké odpory na keramickej alebo inej izolačnej podložke, ktorý tvorí funkčná odporová vrstva, rozdelená asymetricky umiestnenými vodivými kontaktami na dva odpory R m a R v, R m << R v. Pomerová metóda vzťažného merania rozdielu teplôt ( = r ) využíva dve dvojice nerovnakých odporov R mr /R vr a R m /R v s krížovo zhodnými hodnotami pri jednej vzťažnej teplote (napr. 1 ) a rovnakým KR (obr. 5-14). Pri pripojení napájacieho napätia U N tvorí meracia a vzťažná dvojica odporov integrovaný senzor teploty. Výstupný normovaný napäťový signál integrovaného senzora U výst /U N bude potom určený deliacim pomerom antiparalelne spojených dvojíc meracích a vzťažných odporov. Ak predpokladáme, že závislosť odporov od teploty je lineárna R( ) [ 1 + KR ] r = R( (5.30) 0 ) a pomer odporov (koeficient asymetrie) R m = k (5.31) R v potom sa dá odvodiť: Uvýst (1 + k ) + KR = U (1 + k ) 2 + KR (5.32) N [ ] Koeficient asymetrie k závisí iba od konštrukcie (usporiadaní) odporov a KR je len vlastnosťou materiálu tepelne závislých odporov. Integrovaný senzor teploty bude mať strmosť prevodnej charakteristiky (citlivosť) pre ľubovoľnú vzťažnú teplotu 1 závislú iba od KR meracích dvojíc a pomeru odporov k:
1 k KR c = (5.33) 1 + k 4 o znamená, že predom definovanú citlivosť c môžeme nastaviť zmenou k (justovaním odporov) a zároveň kompenzovať prípadné rozptyly hodnôt KR. V prípade napájacieho napätia 10 V a k = 0,1 bude mať integrovaný Pt mikrosenzor citlivosť 12,65 mv/ C a Ni mikrosenzor 7,89 mv/ C (obr. 5-15). Uvyst-Un/2 [mv] 8 6 4 2 0-2 -4 Un=5V Pt, k=0.1 Ni, k=0.1 Pt, k=0.3 Ni, k=0.3-6 -8 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 r [ C] Obr. 5-15 Závislosť výstupného napätia U výst od rozdielu teplôt = r (U N = 10 V) Jednoznačnou výhodou tohto riešenia je, že na základe požiadaviek užívateľa integrovaný asymetrický pomerový mikrosenzor teploty umožňuje pri ľubovolne danej vzťažnej teplote nastavenie citlivosti a zvýšenie presnosti (justovaním odporov na základe výpočtu a kalibráciou okolí referenčnej teploty, presné určenie chýb merania a ich minimalizácia), štandardizácia a schopnosť výmeny, ako aj jednokanálové meranie rozdielu teplôt dvoch meracích miest (jeden výstupný signál), čo oboje podstatne zvyšuje presnosť merania.
5.3. ermoelektrické mikrosenzory ermolektrické javy vznikajú v prítomnosti teplotných rozdielov medzi časťami vodivých alebo polovodivých systémov. Sú to: Peltierov jav prechod dvoch rôznych vodičov sa ohrieva alebo ochladzuje prechádzajúcim prúdom v závislosti od jeho smeru. homsonov jav prúd prechádzajúci cez vodič, v ktorom existuje teplotný gradient, spôsobuje prúdový ohrev alebo ochladzovanie (okrem bežného ohrevu daného odporom). Seebeckov jav - dva rôzne vodiče alebo polovodiče sú spojené a majú elektrický kontakt v jednom bode, pričom medzi spojenou a nespojenou časťou existuje teplotný rozdiel Δ (obr. 5-16). Potom na nespojenej časti sa indukuje elektromotorické napätie Δ V, ktoré je úmerné rozdielu teplôt Δ a závisí silne od použitých materiálov A a B, tvoriacich spoj V = α AB (5.35) kde α AB je relatívny Seebeckov koeficient medzi materiálmi A a B. Senzor založený na tomto jave nazývame termočlánok. Obr. 5-16 Seebekov jav 100 80 PtRh-Pt U [mv] 60 40 20 Cu-ko Fe-ko NiCr-Ni 0-20 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 [ C] Obr. 5-17 Prevodné charakteristiky vybraných typov termočlánkov
Štandartné termočlánky sa vyrábajú vo forme drôtikov na jednom konci spolu zvarených, pričom použité materiály determinujú rozsah pracovných teplôt a definujú typy termočlánkov, ktoré sa podľa normy IEC 751 označujú veľkými písmenami (obr. 5-17). Citlivosť kovových termočlánkov je v rozsahu 5-50 µv/k. Pri použití termočlánkov ako kontaktných teplotných senzorov je potrebné zabezpečiť ich kvalitný tepelný kontakt s meraným objemom. V špeciálnych prípadoch sa používajú tenkovrstvové termočlánkové štruktúry, ktoré sa priamo nanesú na meraný objekt (napr. lopatky turbín). enkovrstvové a ďalšie mikroelektronické technológie sa výhodne využívajú pri výrobe termočlánkových batérií (blokov), kde veľký počet termočlánkových prechodov (n = 10 1000) spojených v sérii dáva n-krát zosilnený výstupný signál. Využíva sa navyše fakt, že Seebeckov koeficient pre kontakt kov/polovodič alebo polovodič/polovodič (0.1 1 mv/k) je vyšší oproti kontaktom kov/ kov. Napr. termočlánková batéria vhodná pre detekciu infračerveného žiarenia nízkeho výkonu (10-12 W), pozostáva z kontaktov Al/p-Si (obr. 5-18), dlhých 400 µm, pričom je schopná merať veľmi malé teplotné rozdiely, resp. tepelné prúdenie, v ráde 1 mk. Obr.5-18 ermočlánková batéria ermočlánková batéria sa môže integrovať do preklápacieho obvodu (teplotný preklápací mikrosenzor), kde jej ekvivalentná schéma sa skladá z elektromotorického napätia V a vnútorného odporu termočlánkov R i (obr. 5-19). Potom výstupný napäťový signál ovládajúci preklápací obvod bude 2R U( ) = V (5.36) 2R + R i kde R je zaťažovací odpor, 2R R i. Percentuálny pomer stavov 1 N(1)/N klopného senzora je závislý od rozdielu teplôt (obr. 5-20).
R R V ΣR i N(1) U N=N(1) Obr. 5-19 eplotný preklápací mikrosenzor Obr. 5.20 Prevodná charakteristika preklápacieho mikrosenzora teploty
5.4. Senzory s p-n prechodom Polovodivý p-n prechod vykazuje pomerne silnú tepelnú závislosť prechádzajúceho prúdu (najmä jeho difúznej zložky) od teploty. Ak sa tento prechod nachádza v dióde alebo v bipolárnom tranzistore, potom pri konštantnom napájacom prúde napätie na prechode je lineárne závislé od teploty. 5.4.1. Diódový mikrosenzor teploty Voltampérovú charakteristiku diódy, polarizovanej v priepustnom smere (obr. 5-21) môžeme popísať vzťahom (zjednodušená Shockleyho rovnica) q(u Ug ) I = Ise (5.37) k kde I s je saturačný prúd, q náboj elektrónu, k Boltzmanova konštanta, teplota, U napätie na dióde a U g napätie odpovedajúce energetickej šírke zakázaného pásma pri 0 K, E g /q = U g = 1.12 V pre Si. I [ma] I 1,5 1,0 50 C 25 C 0 C + U 0,5 0,2 0,4 0,6 0,8 U [V] Obr. 5-21 Vplyv teploty na voltampérovú charakteristiku diódy zapojenú v priepustnom smere Logaritmovaním rovnice (5.37) vyjadríme napätie U na dióde k U = Ug + (lni lnis ) (5.38) q ktoré je lineárne závislé od teploty pri konštantnom prúde I. eplotná závislosť saturačného prúdu I s 3 sa prejavuje najmä pri nízkych teplotách (I s 10-9 A je veľmi malé v porovnaní s I ). Potom pri podmienke konštantného prúdu (di/d = 0) bude teplotný koeficient napätia (citlivosť) diódového senzora teploty du k I Ug β = = ln (5.39) d q I S
čo pre prúdy v priepustnom smere I = 10 µa (U = 0.6 V, = 300 K) dáva hodnotu citlivosti β - 2,2 mv/k (obr. 5-22). Obr. 5-22 Prevodné charakteristiky diódového mikrosenzora teploty 5.4.2. ranzistorový mikrosenzor teploty ranzistory sú vhodnejšie mikrosenzory teploty ako diódy, pretože minimalizujú príspevky generačno-rekombinačných prúdov ku difúznemu prúdu. ranzistor v diódovom zapojení využíva teplotnú závislosť prechodu báza emitor (obr. 5-23) I c1 I c2 U be U be1 1 2 U be2 Obr. 5-23 ranzistory 1 a 2 v diódovom zapojení
Analogicky ako pri dióde (rovn. 5.38) platí približne lineárna závislosť napätia báza emitor U BE od teploty (závislosť I s od teploty zanedbávame) U k = Ug lni (5.40) q BE + Pri konštantnom prúde, napr. I = 100 µa, budeme mať teplotný koeficient (citlivosť) tranzistorového mikrosenzora podobnú hodnotu ako dióda, ß = -2,25 mv/k. Závislosť (5.40) sa dá využiť na výrobu integrovaného tranzistorového mikrosenzora teploty (tzv. PA Proportional o Absolute emperature), kde napätie alebo prúd sú priamo úmerne závislé iba na absolútnej teplote. Ak sa mení kolektorový prúd cez tranzistor a má napr. dve rôzne hodnoty I C1, I C2, potom zo závislosti (5.40) dostaneme dve rovnice, ktorých rozdiel napätí báza - emitor k I C1 U BE = UBE1 UBE 2 = ln (5.41) q IC2 je úmerný len absolútnej teplote pri konštantnom pomere prúdov I C1 / I C2 = r (obr. 5-24). Obr. 5-24 Prevodné charakteristiky tranzistorového senzora teploty V praxi je možné vytvoriť dva úplne identické tranzistory s rôznymi kolektorovými prúdmi, alebo použiť tzv. zrkadlové prúdové zapojenie tranzistorov, kde celkový prúd obvodom bude priamo úmerný teplote (obr. 5-25).
Obr. 5-25 Zjednodušený obvod pre prúdový tranzistorový senzor teploty ranzistory 3 a 4 dodávajú rovnaké konštantné prúdy I C1 = I C2 = I do tranzistorov 1 a 2. Kolektorové prúdy sú určené odporom R. ranzistor 2 je v skutočnosti vyrobený z r identických paralelne zapojených tranzistorov, takže prúdová hustota kolektorového prúdu tranzistora 1 je r-krát väčšia ako v prípade tranzistora 2. Rozdiel medzi napätiami U BE1 a U BE2 bude (anal. rovn. 5.41) k U BE = ln r = U (5.42) q pričom, prúd I prechádzajúci cez odpor R bude úmerný rozdielu emitorových napätí U BE = U a tým aj teplote U 2k ln r I = 2 = (5.43) R qr čo napr. pre obvod s r = 8, R = 358 Ω vytvára senzor teploty, ktorý má lineárnu prevodnú charakteristiku I = f(), s citlivosťou 1 µa/k.