CC BY
61
УДК 538.9
С. А. Шелудяков, Г. С. Куприянова,
Я. Ахокас, С. А. Васильев
МНОГОЧИПОВЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОМЕТР НА ОСНОВЕ Ии02 ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 0,02-30 К
Представлена конструкция полупроводникового термометра сопротивления на основе шестнадцати коммерческих резисторов Уівкау КСШ575 для применения в температурном диапазоне 0,02 —30 К. В работе приводится предполагаемый дизайн сенсора, проведены измерения насыщения и термического сопротивления, а также предложено сравнение с одночиповым RCW575 термометром и коммерческим сенсором Ьакевкоге ROX-102A.
Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 10. С. 109—115.
110
A multiple RuÜ2-chip thermometer based on commercial Vishay RCW575 chips for applications in 0,02 — 30 K range is proposed. Possible design and packaging of the sensor are suggested. Thermometer saturation and thermal resistance of our sensor are measured and compared with a single-chip configuration and commercial Lakeshore RÜX-102A thermometer.
Ключевые слова: физика низких температур, термометрия ниже 1К, термометр сопротивления.
Key words: Low-temperature physics, thermometry below 1K, resistance thermometry
Введение
Надежная термометрия — одно из обязательных условий организации эксперимента по исследованию явлений в милликельвинной области температур.
Использование полупроводниковых SMD датчиков наиболее простой и распространенный вторичный метод измерения температуры [1]. Термометр сопротивления имеет малый размер, малую постоянную времени и не требует специального оборудования для проведения измерения. В то же время ряд проблем, связанных c перегревом датчика под воздействием РЧ-наводок, электрического возбуждения измеряющего прибора, земляных петель, теплопритока по проводам, а также граничное термическое сопротивления обычно ограничивают практическое применение резистивных датчиков 50 мК [2].
В настоящее время наибольшее распространение для измерения температуры в субкельвинном диапазоне получили датчики на основе оксида рутения RuO2, применяемые в качестве высокоточных резисторов в электронике [3]. С точки зрения использования в криогенике их основными преимуществами являются хорошая воспроизводимость кривой R(T) для датчиков из одной партии, стабильность при термоциклирова-нии, умеренное магнетосопротивление, малый размер и значительно более низкая цена по сравнению с коммерческими термометрами [4].
Цель данной работы — разработка криогенного термометра, функционирующего в широком интервале температур, обладающего высоким качеством теплового контакта, достаточной устойчивостью ко внешним РЧ-наводкам, а также низкой ценой. Калибровка подобного датчика первичным термометром или вторичным стандартом позволит использовать его взамен коммерческих датчиков температуры.
Несколько подобных термометров будут использованы для термометрии узлов рефрижератора растворения и экспериментальной ячейки в наших последующих экспериментах по исследованию атомов H в твердой матрице H2.
1. Эксперимент
Для решения проблемы возрастающего с понижением температуры термического сопротивления, а также влияния РЧ-наводок, вызывающих насыщение датчика, был разработан 16-чиповый сенсор на основе 1КОм резисторов RCW575 (Dale), купленных большой партией у Vishay inc. Для исследования преимуществ многочипового термометра перед одно-
Рис. 1. Конструкция датчика Бо:
1 — проходной конденсатор; 2 — катушки индуктивности; 3 — емкость;
4 — порции БМЭ чипов; 5 — резьба М4;
6 — металлический экран
чиповым были изготовлены два 16-чиповых датчика, Б0 и &. БМО чипы были разделены на четыре порции, соединенные между собой последовательно, причем каждая порция представляет собой четыре чипа, соединенных параллельно. Таким образом, итоговое комнатное сопротивление термометра оставалось равным 1 КОм, что особенно важно при милликельвинных температурах, где сопротивление чипов возрастает до нескольких десятков КОм. Высокое сопротивление увеличивает джонсоновский шум датчика, что требует большего возбуждения для корректности измерения, ведущее, в свою очередь, к преждевременному насыщению термометра. В частности, при 10 мК, чтобы не вызвать перегрев сенсора, мощность возбуждения не должна превышать 1 фВт [5].
Конструкция датчиков Б0 и Бг приведена на рисунках 1 и 2. Порции чипов быпли приклеены эпоксидной смолой БЬуса8Ь 1266 к медному основанию, предварительно покрытому изоляционной полиимид-ной пленкой (КарЬоп™). Медное основание имеет внешнюю резьбу для крепления термометра к камере растворения. В целях подавления РЧ-наводок сенсор снабжен двумя ЬС-фильтрами, а также двумя проходными конденсаторами. Вся система заключена в медную оболочку, выполняющую функцию экрана. Сопротивления датчиков при комнатной температуре составляли 1010 и 1007 Ом соответственно. Разница в сопротивлениях датчиков может быгть объяснена некоторым различием в сопротивлении подводящих проводов.
Для оценки эффективности 16-чи-повых сенсоров, был также изготовлен одночиповыпй сенсор Б2, его конструкция приведена на рисунке 2. Ки02 чипы быт приклеен к медной пластине эпоксидной смолой БЬусаэЬ 2750БТ. Подводящие провода, выполненные из манганина, были предварительно обернуты вокруг пластины для предотвращения теплоприто-ка. Комнатное сопротивление датчика составило 999 Ом. Для сравнения также быт использован коммерческий одночиповыгй БМО сенсор Ьаке8Ьоге Кох-102Л, Кг1=1037 Ом. Данный термометр также быт предварительно подготовлен нами согласно рисунку 1.
В качестве дополнительного инструмента подавления РЧ-наводок быта использована вспомогательная система ИС-фильтров, помещенных на 0,1 К-пластине рефрижератора растворения (рис. 3). Фильтры быпли изготовлены на основе керамических БМО компонентов И=50 Ом, С=4,7 нФ, что соответствует частоте среза 4,3 МГц. Измерение быто ор-
Рис. 2. Конструкция датчика Б1: 1 — отверстие под болтовое соединение М3; 2 — чип;
3 — коннектор
111
112
Датчик
ганизовано по четырехпроводной схеме, где все сенсоры за исключением Бо были подключены следующим образом: І+, У+, V- соединены с системой фильтров, тогда как I- был заземлен. Для Б0, I- заземлен не был. Питание током возбуждения производится с помощью проводов І+, І-, а измерение падения напряжения на термометре сопротивления — с помощью проводов V+,V-. Использование подобной схемы подключения датчиков позволяет повысить точность измерения, а также исключить вклад подводящих проводов в сопротивление сен-
Рис. 3. Схема подключения датчика на уровне 0,1 K-пластины
сора. Измерение сопротивления датчиков было проведено AC-мостом Stanford SIM-921 при частоте возбуждения равной 15 Гц. Для подавления 50 Гц наводок, вызывающих скачки в сопротивлении сенсоров, нами применялся трансформатор для гальванической развязки.
В ходе эксперимента сопротивление датчиков регистрировалось относительно двух вторичных стандартов — кристаллизационного 3He (MCT) и сверхпроводникового SRD-768. При этом показания обоих термометров совпадали в пределах погрешности измерения (не более 3 %), что позволило использовать их для анализа поведения и последующей калибровки датчиков сопротивления.
Измерение сопротивления показало расхождения в показании датчиков при понижении температуры (рис. 4), что может быть связано с ухудшением теплового контакта и возрастанием влияния РЧ-наводок на производительность датчика. S2 оставался работоспособным вплоть до 35 мК, но затем вышел на насыщение. 16-чиповый датчик оставался чувствительным к изменению температуры вплоть до 30 мК для S0 и 20 мК для Si, что вызвано различием их подключения на уровне 0,1 К пластины. Lakeshore Rox-102A оставался работоспособным вплоть до 40 мК, при этом его сопротивление составило порядка 100 КОм.
W
* V V * А
0° о о о «< * * V К “К
*■
••
v S1 о S2
v<
0,01 0,1 Температура, К
Рис. 4. Поведение датчиков ниже 100 мК
2. Анализ измерений
Для оценки качества теплового контакта лучшие из сенсоров разных конфигураций (Бі и Б2) возбуждались последовательно напряжением 10, 30, 100, 300 мкВ и 1 мВ.
При этом температура камеры растворения составляла 6,3 мК согласно кристаллизационному термометру 3Не, самая низкая, достигнутая нами в ходе эксперимента. В то же время оба датчика были перегреты (рис. 5).
Мощность возбуждения,Вт
Рис. 5. Перегрев датчиков различным возбуждением
Оценка скачка Капицы для обоих датчиков позволяет получить более детальную информацию. Согласно [6] скачок Капицы на границе металл-металл с учетом температурной зависимости ^(Т) может быть определен как
5Гп
'
где п принимает значения от 4 до 6. Отношения наклонов зависимостей дает возможность найти отношение граничных сопротивлений (рис. 6).
Рис. 6. Термическое сопротивление сенсоров
Отношение наклонов говорит о 15-кратном улучшении термического контакта для сенсора Б;1, из чего можно сделать вывод о том, что
граничное сопротивление пропорционально контактной площади датчика, т. е. тепловой контакт в основном устанавливается через стеклянную оболочку сенсора и эпоксидную смолу, а не через подводящие манганиновые провода.
Для оценки погрешности в показаниях датчика Б;1 вследствие перегрева, его экспериментальная кривая И(Т) при Т > 40 мК, где его перегрев незначителен, была проэкстраполирована в область более низких температур. На рисунке 7 указана погрешность датчика Б;1 вследствие перегрева. Как видно из рисунка, датчик способен функционировать вплоть до температуры 20 мК с погрешностью менее 10 %.
114
50
40 -
30 -
20 -
10 -
О
О
°8
ОО О О о ° 8° о о
5 10 15 20 25 30 35 40
Температура,К
Рис. 7. Погрешность сенсора Б1
Для оценки верхней границы применимости датчика были проанализированы данные калибровок относительно германиевого термометра, а также давления газа Н2, полученные в предыдущих запусках. Зависимость чувствительности (дИ/дТ)(Т) приведена на рисунке 8.
Температура,К
Рис. 8. Чувствительность сенсоров Dale RCW575 (Vishay)
Сенсор сохраняет приемлемую чувствительность вплоть до температур порядка 30 К, что позволяет его использовать как в милликель-
винной области, так и при температурах в несколько десятков К, практически недостижимом для толстопленочных платиновых термометров. В то же время использование нескольких чипов последовательно позволит пропорционально увеличить чувствительность датчика.
Таким образом, предлагаемая конструкция дает возможность расширить рабочий диапазон термометра вплоть до 20 мК, что примерно соответствует минимальному порогу температур для большинства коммерческих рефрижераторов растворения. Высокая чувствительность датчиков позволяет применять их вплоть до 30 К, где значение dR/dT составляет несколько Ом/К. Более того, низкая цена компонент, применяемых в термометре, наряду с преимуществами RuO2 сенсоров (взаимозаменяемость датчиков, низкое магнетосопротивление, устойчивость при термоциклировании), позволит с успехом использовать подобные термометры взамен коммерческих датчиков.
Список литературы
1. Yeager C. J., Courts S. S. A Review of Cryogenic Thermometry and Common Temperature Sensors // IEEE sensors journal. 2001. Vol. 1, № 4. P. 352 — 360.
2. Courts S. S., Krause J. K. A Commercial Ruthenium Oxide Thermometer for Use to 20 Millikelvin, CP985 // Advances in Cryogenic Engineering: Transaction of the Cryogenic Engineering Conference — CEC- 2008. 2008. Vol. 53. P. 947 — 954.
3. Zak D, Dziedzic A., Kolek A. et al. Meas. Sci. Technol. 2006. Vol. 17. P. 22—27.
4. Goodrich R. G., Hall D., Palm E. et al. Magnetoresistance below 1 K and temperature cycling of ruthenium oxide— bismuth ruthenate cryogenic thermometers // Cryogenics. 1998. Vol. 38. P. 221 — 225.
5. AVS-47 AC-resistance bridge, Instruction manual, 1996.
6. Lounasmaa O. V. Experimental principles and methods below 1K, Academic press. London ; New York, 1974.
Об авторах
Сергей Александрович Шелудяков — асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта.
E-mail: seshel@utu.fi
Галина Сергеевна Куприянова — д-р физ.-мат. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта.
E-mail: galkupr@yandex.ru
Ян Ахокас — исследователь, д-р филос., Университет г. Турку, Финляндия.
E-mail: jmiaho@utu.fi
Сергей Васильев — д-р филос., исследователь, Университет г. Турку, Финляндия.
E-mail: servas@utu.fi
Authors
S. А. Sheludyakov — Ph. D. student, I. Kant Baltic Federal University.
E-mail: seshel@utu.fi
G. S. Kupriyanova — professor, I. Kant Baltic Federal University.
E-mail: galkupr@yandex.ru
J. Ahokas — researcher, Ph.D., University of Turku, Finland.
E-mail: jmiaho@utu.fi
S. Vasiliev — senior researcher, Ph.D, University of Turku, Finland.
E-mail: servas@utu.fi
115
