ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1995 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике низкотемпературных термометров сопротивления, и может быть использовано для измерения температуры в широком диапазоне от 4,2 до 350 К.

Быстрый прогресс криоэнергетики, электроники, авиации, ракетной техники сопровождается повышением технических требований к датчикам физических параметров, в том числе к датчикам температуры, предназначенным для работы в экстремальных условиях эксплуатации.

Известен термометр сопротивления, который может быть использован при измерении сверхнизких температур в диапазоне от 1 до 300 К в условиях воздействия внешнего магнитного поля. Термочувствительный элемент данного термометра выполнен из карбида кремния кристаллической формы типа 6Н и легирован азотом в концентрации 5˙10¹⁸-7˙10¹⁹ см^-3. Легирование осуществляется из газовой фазы в процессе роста кристалла карбида кремния. Чувствительный элемент изготавливают в виде параллелепипеда с размерами 6х2х0,5 мм [1]
Наиболее близким техническим решением является диффузионный планарный германиевый термометр прототип изобретения [2] Устройство содержит термочувствительный слой германия n-типа проводимости, легированный мышьяком и галлием (концентрация примеси AS превышает концентрацию примеси Ga), расположенный на поверхности германиевой пластины р-типа подложки. Электроизоляция термочувствительного слоя германия от подложки обеспечивается наличием между термочувствительным слоем и подложкой р n-перехода. К термочувствительному слою n-германия присоединены электрические выводы. При изменении температуры в диапазоне 0,09-6 К изменяется сопротивление термочувствительного слоя планарного германиевого термометра. С помощью снятой калибровочной термометрической характеристики и измеренного значения сопротивления определяют искомую температуру.

Прототип, как следует из описания и термометрических характеристик планарных германиевых резисторов n-типа проводимости, обладает высокой термочувствительностью в диапазоне очень низких температур и, следовательно, обеспечивает измерение температуры с высокой точностью лишь в узком диапазоне температур от 90 мК до 6 К. Однако при более высоких температурах чувствительность к температуре падает и цель изобретения расширение диапазона рабочих температур за счет обеспечения высокой термочувствительности в диапазоне от 4,2 до 350 К не достигается.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур за счет обеспечения высокой чувствительности в диапазоне температур от 4,2 до 350 К и в условиях воздействия динамических температурных нагрузок.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения температуры, содержащем термочувствительный слой германия на подложке из полуизолирующего арсенида галлия, размещенного в корпусе с основанием и крышкой, контактами к слою, термочувствительный слой выполнен из монокристаллического германия с концентрацией примесей галлия и мышьяка от 1˙10¹⁸ до 5˙10¹⁹ и компенсацией К от 0,9 до 1,0
K , где N_a концентрация акцепторной примеси галлия;
N_д концентрация донорной примеси мышьяка, причем подложка из полуизолирующего арсенида галлия выполнена с ориентацией (100).

Выполнение термочувствительного слоя из германия с концентрацией примесей галлия и мышьяка от 10¹⁸ до 5˙10¹⁹ см^-3 и компенсацией К N_Ga/N_AS 0,9-1,0, расположенного на подложке из полуизолирующего арсенида галлия с ориентацией (100), обеспечивает расширение диапазона рабочих температур устройства от 4 до 350 К даже в условиях быстрого изменения температур.

Авторами экспериментально установлено, что при уменьшении концентрации примеси галлия и мышьяка ниже 10¹⁸ см^-3 при К 0,9-1,0 диапазон температур ограничивается до 300 К, поскольку чувствительность слоя германия настолько мала, что приводит к большим погрешностям измерения температуры, и цель изобретения не достигается. При концентрации примеси свыше 5˙10¹⁹ см^-3 из-за высокого уровня легирования примесями галлия не обеспечивается компенсация примесей К 0,9-1,0 и, следовательно, падает температурная зависимость сильно легированного вырожденного слоя германия в область криогенных температур, и цель изобретения не достигается.

Экспериментально также определено, что лишь ориентация полярного кристалла-полуизолирующего арсенида галлия (100) обеспечивает уменьшение влияния уровня внутренних напряжений на величину термочувствительности слоя германия. Отклонение от ориентации (100) вызывает влияние механических напряжений на чувствительность слоя германия таким образом, что сужает диапазон термочувствительности устройства от 4 до 300 К. В определенных экспериментально пределах изменения концентрации примесей галлия и мышьяка (10¹⁸-5˙10¹⁹ см^-3) при К 0,9-1,0 термочувствительность слоя германия зависит от диапазона температур Т > Т_с (Т_с 100 К); термочувствительность сильнолегированного и компенсированного слоя германия определяется перколяционной проводимостью с энергией активности ε 10-400 мэВ (проводимость сильно легированных и сильно компенсированных полупроводников), в диапазоне 4,2 Т_с термочувствительность слоя германия определяется прыжковой или примесной проводимостью. При уменьшении величины компенсации К < 0,9 на опыте уменьшается чувствительность германия как в области перколяционной проводимости, так и прыжковой или примесной проводимости, поскольку отмеченные виды проводимости обусловлены присутствием как высокого уровня легирования, так и сильным уровнем компенсации.

Таким образом, устройство приводит к обеспечению возможности измерения температуры с высокой точностью в расширенном диапазоне в условиях воздействия динамических нагрузок.

П р и м е р. Устройство для измерения температуры состоит из корпуса (основания и крышки), выполненного из меди. Теплопроводность меди при 300Kχ 1250 Корпус выполнен в виде полого цилиндра высотой l 5 мм. Основание цилиндра имеет резьбу, с помощью которой в процессе измерения крепится к объекту. Внутри медного корпуса на его основании криоклеем закреплена подложка из полуизолирующего арсенида галлия с удельным сопротивлением 10⁷ Ом˙см при 300 К, на подложке с ориентацией (100) расположен монокристаллический термочувствительный слой германия с концентрацией примесей галлия и мышьяка 10¹⁹ см^-3 и компенсацией К 0,95. Толщина слоя германия 1 мкм, в качестве выводов использована медная проволока диаметром 50 мкм.

При получении пленки германия на подложке из арсенида галлия используют ряд стандартных операций: подложка GaAs крепится в держателе, помещаемом внутри нагревателя, проведение операции испарения Ge осуществляют нагревом его в графитовом тигле. Для получения пленки Ge с требуемыми свойствами варьируются: скорость испарения, время, температура подложки.

Принцип работы устройства состоит в следующем. С помощью резьбового соединения устройство закрепляется на объекте, которое находится под воздействием изменяющихся температурных нагрузок, При изменении температуры в диапазоне от 4,2 до 350 К изменяется сопротивление термочувствительного слоя германия, что позволяет с помощью калибровочной термометрической характеристики определить с высокой точностью температуру объекта.

Испытания, проведенные на стендовом испытательном оборудовании, показали, что заявляемое устройство обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 4,2 до 350 К с точностью не хуже 0,1 К в условиях термоциклирования и термоудара.

Использование: в измерительной технике, в частности в технике низкотемпературных термометров сопротивления для измерения температуры в широком диапазоне от 4,2 до 350 К. Сущность изобретения: устройство состоит из корпуса с основанием и крышкой, термочувствительного слоя германия на подложке из полуизолирующего арсенида галлия, выводов, соединенных с чувствительным слоем германия, причем слой германия выполнен из монокристалла с концентрацией примесей галлия и мышьяка 10¹⁸- 5· 10¹⁹ см^-13 и компенсацией 0,9 - 1,0 на подложке из арсенида галлия с ориентацией (100).

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий термочувствительный элемент в виде снабженного выводами слоя германия на подложке из электроизоляционного полупроводникового материала и легированного акцепторной примесью галлия и донорной примесью мышьяка, размещенный в корпусе, отличающийся тем, что концентрация примесей галлия N_GA и мышьяка N_AS в германии, являющемся монокристаллическим, составляет 1 · 10¹⁸ 5 · 10¹⁹ см^-3 при компенсации корпус выполнен в виде основания и крышки, а в качестве материала подложки, закрепленной на основании, использован арсенид галлия с ориентацией (100).