CC BY
14
Восточно-Европейский журнал передовым технологий ISSN 1729-3774
■;:::;...; гг,
.•¡:::н"н!:::ч"1!::>••■•!:::•! л.¡¡...¡г-п .¡гт;:::«"':!
У po6omi приведена конструк-торсько-технологiчна реалiзацiя малогабаритного безкорпусного дюд-ного термосенсора, виготовленого за мшроелектронною технoлoгieю на кремтевих структурах з дiелектрич-ною iзoляцiею. Дослиджено фактори, що впливають на похибку вимiрюван-ня температури внаслидок самoрoзi-грiву
Ключoвi слова: дюдний термосенсор, мтроелектронна технoлoгiя, самoрoзiгрiв
В работе представлена конструк-торско-технологическая реализация малогабаритного бескорпусного диодного термосенсора, изготовленного по микроэлектронной технологии на кремниевых структурах с диэлектрической изоляцией. Исследованы факторы, влияющие на ошибку измерения температуры вследствие саморазогрева
Ключевые слова: диодный термосенсор, микроэлектронная технология, саморазогрев
-□ □-
УДК 621.382
МАЛОГАБАРИТНИИ Д1ОДНИЙ ТЕРМОСЕНСОР
Л.Ф. Пол^танський
Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедри* Контактний тел.: (037) 24-24-36 E-mail: [email protected] П.О. Яганов Кандидат техычних наук, доцент Кафедра конструювання електронно-обчислювальноТ
апаратури
Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни "КиТвський пол^ехшчний шститут" пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056 Контактний тел.: (044) 406-83-07 E-mail: [email protected] В.В. Леонський Асистент*
Контактний тел.: (037) 24-24-36 E-mail: [email protected] *Кафедра радютехшки та шформацтноТ безпеки Чершвецький нацюнальний ушверситет iM. Юрiя Федьковича вул. Коцюбинського, 2, м. Чернiвцi, УкраТна, 58012
1. Вступ
Кремнieвi дюдш сенсори температури е електрон-ш прилади, функцiонування яких здiйснюеться на основi ефекту падiння напруги на прямо змщеному р-п переходi. 1х вважають одними з найбiльш точних i технологiчно вiдтворюваних для вимiрювання температур в дiапазонi 4 - 500 К.
Для термосенсора важливим е висока чутливють i точнiсть вимiрювання температури. Традицiйний шлях тдвищення чутливостi давача передбачае тд-силення малопотужного сигналу мiкроелектронного сенсора спещальним пристроем. Альтернативою е використання потенцшних можливостей мжроелек-тронних сенсорiв на основi неоднорiдностей типу потенцшного бар'еру (р-п переходiв). Високий рiвень електричного сигналу - напруги - первинного вимь рювального перетворювача виникае на послщовно-му ланцюжку бар'ерних мжронеоднорщностей - р-п переходах.
2. Основна частина
В робой розглянуто конструкторсько-технолопч-ну реалiзацiю та метрологiчнi характеристики малогабаритного безкорпусного дюдного термосенсора, виготовленого за мжроелектронною технологieю на кремшевих структурах з дiелектричною iзоляцieю
(КСД1), дослiдженi фактори, що впливають на похибку вимiрювання температури внаслщок саморо-зiгрiву.
При зб^ьшенш струму, що протiкае крiзь p-n перехiд, пiдвищуеться рiвень падiння напруги на p-n переходi з одночасним зниженням температурноТ чутливостi дюдного термосенсора.
На рис. 1 приведена типова залежшсть падшня напруги на прямозмщеному кремнiевому p-n пере-ходi в областi середнiх температур для рiзних стру-мiв Ipn прямого змщення, з концентрацiями акцеп-торних домшок в p областi та донорних в n областi ~1015 см-3 та 1019 см-3 вщповщно. Значення похибки визначення температурного коефвдента aT колива-еться в межах ±(0,9 ... 1,7) 10-2 мВ/К.
З метою зменшення впливу саморозiгрiву сенсора на точнiсть вимiрювання величини струму зазвичай не перевищуе 100 мкА, а для дiапазону температур вщ 77.4 К його значення становить до 10...0,01 мкА при стаб^ьноси 0,05% [1]. Такi жорстю вимоги до апаратноТ частини давачiв значно звужують область Тх використання.
Усунення цього недолжу можливу при виконанш термосенсорноТ структури у виглядi послiдовного з'ед-нання заданоТ юлькост p-n переходiв, на яких у нерiв-новажному станi виникае адитивний сигнал високого рiвня [2]. Осюльки при виготовленнi p-n переходiв за штегральною груповою технологiею мiкросхем мае
м1сце 1дентичн1сть 1х параметр1в, то сумарна напруга
дор1внюватиме и = ^ ирп' = N • ир
Напруга ирп, мВ 700
600
500
400
300
-
- > ,1
- „2
- -3
260 280 300 320 340 360 380 400 Температура Т, К
Рис. 1. Температурна залежшсть напруги на прямозмщеному р-п переходi при рiзних струмах 1рп. 1: 1рп = 100 мкА, ат = 1,882 мВ/К; 2: 1рп = 30 мкА, а т = 2,012 мВ/К; 3:1рп = 10 мкА, ат = 2,257 мВ/К
ТМХ дюдних сенсор1в на КСД1 при прямому струм1 (10 ± 0,005) мкА з р1зною кшькютю N посл1довно ув1м-кнених р-п переход1в приведен на рис. 2. Пор1вняння характеристик вказуе на те, що ТМХ дюдних сенсор1в на КСД1 в1др1зняеться в1д ТМХ окремого р-п переходу тшьки масштабом.
Рис. 2. ТМХ дюдноТ структури з рiзною кiлькiстю N послiдовно увiмкнених р-п переходiв: 1 — N = 1;
2 - N = 4; 3 - N = 6; 4 - N = 8; 5 - N = 10;
6 - N = 12
Термочутливють дюдно'1 структури з дванадцять-ма посл1довно ув1мкненими р-п переходами становить близько 25 мВ/К.
Процес виготовлення безкорпусного мжроелек-тронного сенсора складаеться з дек1лькох еташв. На першому еташ кристал КСД1 розр1зають на заготовки розм1рами 0,4х0,85х2,3 мм3, що мютять д1-одш структури та контактш площадки до них. Для забезпечення зовшшшх м1жз'еднань до контактних площадок методом термокомпресшного зварювання шд'еднують золот1 дротяш пров1дники.
Одночасно з цим виготовлюють гнучк1 полпм1дш або пол1ам1дш контактш смужки з нанесенням на одну з 1х поверхонь струмоведучих двошарових до-р1жок.
Перший шар, що забезпечуе адгезш дор1жки з пол1-1м1дом, е напиленою м1дною пл1вкою, а другий шар, що дозволяе здшснювати мжропайку до дор1жок, е пл1в-кою низькотемпературного припою на основ1 сплаву олово-вюмут.
На другому еташ здшснюеться зб1рка мжросен-сора. Струмопровщна смужка приклеюеться до по-верхш заготовки стороною, вшьною в1д контактних дор1жок, кремншоргашчним компаундом С1ЕЛ-159-230 або кремншоргашчним лаком марки КЕТ-1, КЕТ-2, КЕТ-2Н.
Шсля сушки мжропайкою забезпечують електрич-ний контакт золотих пров1дник1в, що ведуть до контактних площадок на заготовщ, з1 струмов1дв1дними дор1жками на смужш.
На третьому еташ проводять операцш електрич-ного тестування, вим1рюють ТМХ, здшснюють в1дб1р м1кросенсор1в за визначеними критер1ями. Шсля цього на поверхню в1д1браних прилад1в наносять шар захис-ного покриття, наприклад, кремншоргашчних з'еднань КЕТ та С1ЕЛ, що мають низький коефщ1ент усадки 1 вважаються „м'якими".
На рис. 3 приведений еск1з безкорпусного мжросен-сора температури на КСД1 в зборь
Функцюнування термосенсора супроводжуеться видшенням тепла, що виникае внасл1док самороз1гр1-ву. На окремому р-п переход! дюдно'1 структури з робо-чим струмом 1 - 100 мкА потужшсть, що розсшеться, становить десятки мжроват [1]. У в1домих методах градуювання дюдних давач1в величина максимально допустимого значення прямого струму в област1 азотних температур становить 100 мкА. Таке градуювання дюдних давач1в розглядають як максимально допустимий при вим1рюванш прямий струм кр1зь р-п перех1д в област1 азотних температур, значення якого суттево не впливае на похибку вим1рювання температур бшьших 100 К [3].
Рис. 3. Есюз конструкцп без корпусного термосенсора в зборк 1 - контактна площинка; 2 - золота дротинка; 3 - полiамiдна смужка; 4 - струмовщвщна дорiжка;
5 - пiдкладка з дюдними структурами;
6 - захисне покриття
Розрахунки показують, що для шд1гр1ву 1 мм3 кремшю на 1 К необх1дна потужшсть 1,63 мВт. Те-пловий ошр термосенсора на КСД1 об'емом не бшьше 1 мм3 в безкорпусному виконанш на гнучкому кри-сталоносш не перевищуватиме 20 К/Вт, а похибка вим1рювання температури становить 0,05 К.
Температурш характеристики розсшвано'1 елек-трично'1 потужност1 на термосенсор1, вим1ряш при р1зних значеннях напруги живлення иЖ та зовшш-нього опору обмежувального навантаження Ын, що вв1мкнений посл1довно з р-п переходами, приведен на рис. 4.
=1
Потужшсть Ррп, мкВт 40
200 240 280 320 360 400
Температура Т, К
Рис. 4. Потужшсть розаювання Ppn на p-n переходах КСД1
в рiзних режимах функцюнування схеми вимiрювання:
1 - иЖ = 1,2В, RH = 10к0м; 2 - иЖ = 1,5В, RH = 20к0м;
3 - иж = 0,9В, Rh = 7кОм
3. Висновки
Безкорпусне виконання MiHiMi3ye габарити та масу мжросенсора, внаслiдок чого зменшуеться його тепловий отр i теплова iнерцiйнiсть. 1золююче за-хисне покриття надiйно захищае прилад вiд впли-ву зовшшнього середовища, а контактна полiамiдна смужка виконуе роль гнучкого кристалоноия. Шар легкоплавкого припою, що вкривае стрyмоведyчi до-рiжки, полегшуе виконання зовшшньо! комyтацii мiкросенсора.
Термосенсор запропонованоi конструкцп може знайти застосування в медицин^ харчовiй промис-ловостi, засобах контролю за технолопчними про-цесами тощо.
Лiтератyра
1. ShwartsYu.M., Borblik V.L., Kulish N.R., Sokolov V.N., Shwarts M.M.,Venger E.F. Silicon Diode Temperature Sensor without a Kink of the Response Curve in Cryogenic Temperature Region // Sensors and Actuators. - 1999. - A.76. - P. 107 - 111.
2. Яганов П.А. Кремниевые микросенсоры температуры на основе p-n перехода // Электроника и связь. - 2004. - том 9, № 22. - C.134 - 139.
3. Dodrill B.C., Krause J.K., Swinehart P.R., Wang V. Performance Characteristics of Silicon Diode Cryogenic Temperature Sensors // Applications of Cryotronic Technology. - 1991. - No 10. - Р. 85-107.
Abstract
The design implementation of the small unpacked silicon diode thermal sensor, manufactured by the microelectronic technology at the silicon structures with the dielectric isolation is the most accurate and reproducible technology for the measurement of temperature in the range 4 - 500 K.
The die form of the micro thermal sensor minimizes the sizes and weight, and reduces its thermal resistance and lag; and the insulating cover protects the device from the external influence.
The manufacture of the die form of the microelectronic sensor consists of 3 phases: a crystal cut into workpie-ces and provision of the external connections by the thermocompression of conductors; the micro sensors assembly; testing and control measurements for selection of the micro sensors according to the defined criteria.
The results showed that the thermal resistance of the sensor on silicon structures with the dielectric isolation of the volume not more than 1 мм3 in the die form on a flexible crystal holder would not exceed 20 K/ W.
The suggested design of the thermal sensor could be applied in medicine, food industry and methods of technological processes control, etc.
Keywords: diode thermal sensor, microelectronic technology, self-heating
