Полупроводниковый датчик температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и технике измерения температуры и может быть использовано в измерительных системах как первичный преобразователь температуры. Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур. На фиг.1 изображен предложенный . датчик, общий вид; на фиг.2 - то же, вариант выполнения; на фиг.З - его типичная термометрическая характеристика - зависимость сопротивления от температуры. Датчик содержит тензочувствительный элемент 1, выполненный из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальным р-п-переходом 2, сформированным на ее основании, термочувствительный элемент 3, выполненный в форме призмы из керамики. Термочувствительный элемент 3 соединен с тензочувствительным элементом 1 своими торцами на неподвижной посадке (фиг.2) или сплавлен с ним через термокомпенсирующий слой 4, выполненный из хоома. Кроме того, датчик содержит электрические выводы 5, размещенные вдоль эпитаксиального слоя 6 р-п-перехода. Выполнение тензочувствительного элемента 3 из карбида кремния обусловлено тем, что этот обладающий тензосвойствами полупроводниковый материал имеет ширину запрещенной зоны 2,23,1 эВ в зависимости от политипа. Такая ширина запрещенной зоны вместе с термостабильностью (в отличие, например, от алмаза), делают полупроводник и р-п-переходы в нем работоспособными до очень высоких температур (по теоретическим оценкам до 1973 К). Необходимость формирования р-п-перехода 2 вызвана особенностями тензоэффекта в полупрдводниках: при изменении знака нагрузки коэффициенты тензосопротиБления также меняют знак сохраняя свое значение по абсолютной величине. В отсутствии р-п-перекода при повышении температуры верхняя часть предлагаемого полупроводниково го датчика температуры оказывается сжатой а нижняя - растянутой, т.е. суммарное действие механической нагрузки на сопротивление объема тензочувствительного элемента равно нулю. При наличии же р-слоя 6 на п-подложке используется лишь изменение сопро тивления данного слоя, причем р-слой работает лишь на растяжение (при ,) либо на сжатие (при ,,), т.е. механическая нагрузка на р-слой, изолированный от п-подложки р-п-переходом, оказывается постоянного знака по всему сечению р-слоя. Б качестве легирзпощего элемента при .создании р-слоя 6 использован бор, имеющий высокую растворимость в карбиде кремния, а также достаточно большую энергию ионизации (0,39 эВ), что обеспечивает экспоненциальный спад удельного сопротивления до температур порядка 873 К. Вследствие того, что электрические выводы 5 расположены по обе стороны области деформации тензочувствительного эпитаксиального слоя 6, тензоэффект приводит к дополнительному уменьшению его сопротивления и в области температур 873-1973 К является основным источником изменения сопротивления преобразователя. Нижний предел концентрации легирующей примеси бора обеспечивает только компенсацию неконтролируемых донорных примесей в процессе эпитаксии, но и работоспособность р-п-перехода во всем диапазоне температур. Верхний предел концентрации бора ограничен .предельной растворимостью бора в карбиде кремния ( см). Материалом термочувствительного элемента может являться любая керамика с коэффициентом температурного расширения, превышающим коэффициент температурного расширения карбида кремния (5,94-10 см/град). Термокомпенсирующий слой 4 обеспечивает механическую прочность конструкции датчика и жесткую взаимосвязь элементов с разными коэффициентами температурного расширения, т.е. тензочувствительного 1 и термочувствительного 3 элементов. Датчик температуры работает следующим образом. Датчик помещают в тепловое поле, при этом разогреваются все элементы конструкции датчика, в том числе тензочувствительный 1 и термочувствительный 3 элементы и термокомпенсирующий слой 4. Термочувствительный элемент 3 выполняет роль источника деформации. По мере разогрева он увеличивается в размерах вследствие теплового расширения (в соответствии с коэффициентом температурного расширения материала), Тензочувствительный элемент 1 по мере разогрева в температурном поле таклсе изменяет свои линейные размеры в соответствии с коэффициентом темпе ратурного расширения карбида кремния равным (5,12-5,9А)10 см/град.,кро ме того изменение температуры тензочувствительного элемента 1 сопровождается и изменением его электрофизических свойств, обусловленных как свойствами карбида кремния (ширина запретной зоны), так в основном свой ствами легирующей примеси (энергией ее ионизации), Так как эпитаксиальны слой 6 электрически развязан с под-, ложкой р-п-переходом 2, то наблюдается экспоненциальное уменьшение соп ротивления легированного бором эпитаксиального р-слоя 6 в соответствии с температурным коэффициентом сопротивления. Вследствие разных температурных коэффициентов расширения сочлененных элементов конструкции датчика: термочувствительного 3 и тензо чувствительного 1 элементов - послед ний испытывает деформирующее воздействие со стороны термочувствительног элемента 3. Эта деформация сопровождается изменением электрического соп ротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, т.е. тензоэффек том. Вследствие того, что электрические выводы 5 размещены по обе стороны области деформации тензочувстви- тельного эпитаксиального слоя 6, то /гензоэффект приводит к дополнительному уменьшению его сопротивления (рслой испытывает сжимающее механическое напряжение). В результате д ействия обоих факто ров (уменьшение сопротивления слоя вследствие ионизации примеси бора и уменьшение сопротивления вследствие тензоэффекта) суммарное (интегральное) сопротивление слоя 6 продолжает уменьшаться и в области, где бор в основном ионизирован. По интегральному изменению сопротивления р-слоя 6 и по термометрической характеристике датчика определяется температура объекта измерения. Пример. Полупроводниковый датчик температуры изготовлен с тензочувствительным элементом из карбида кремния, выполненным в форме скобы переменного сечения 100-250 мкм, р-область р-п-перехода легирована бором 2 (±0,5) tic см, п-область ift V азотом 3,5(±0,5)10 см , контакты в р-области выполнены из сплава, ат,,%: алюминий 3; тантал 8; з олото 89, контакты к п-области выполнены из сплава, ат.%:- тантал 10; золото 90. Монтажные электроды термокомпрессией соединены с контактами. Термочувствительный элемент из поликора сечением 500 мкм через шайбы хрома толщиной 150 мкм сплавлен с тензочувствительным элементом. Формула изобретения Полупроводниковый датчик температуры, содержащий выполненные из материала с различным коэффициентом температурного расширения плоский терме- чувствительный элемент и соединенный с ним Тензочувствительный элемент, снаблсенный электрическими выводами, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур, Тензочувствительный элемент выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальным р-п-переходом, сформированным на ее основании, а термочувствительный элемент выполнен из керамики и соединен с тензочувствительным либо своими торцами на неподвижной посадке или на концевых участках сплавлен с ним через термокомпенсирующий слой, выполненный из хрома, ри этом электрические вьшоды размеены вдоль легированного бором эпиаксиального слоя р-п-перехода.

fpui.3

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и позволяет расширить диапазон рабочих температур. Тензочувствительный элемент 1 выполнен из карбида кремния в форме скобы переменного сечения с эпитаксиальньм р-п-переходом 2, сформированным на ее основании и обеспечивающим постоянство знака механической нагрузки по всему р-слою. При помещении датчика в тепловое поле тензочувствительный элемент 1 испытывает деформирукщее воздействие со стороны термочувствительного элемента 3, выполненного в виде призмы из керамики. Эта деформация приводит к изменению электрического сопротивления эпитаксиального слоя 6, легированного бором, используемого для определения температуры объекта Элементы 1 и 3 соединены или через термокомпенсирующий слой 4, выполненный из хрома, либо на.неподвижной посадке. 3 ил. Ю со - СП