Калориметричні сенсори на кремнієвих термопарах та транзисторах

Рис. 6.9. Сенсор з радіальним розташуванням термопар

Калориметричні (термічні) трансдьюсери перетворюють тепло на напругу. Зазвичай цей процес дво- або тристадійний. Спочатку нетермічний сигнал перетворюється на тепло ΔQ, яке потім перетворюється на різницю температур ΔT. Після цього різниця температур трансформується в трансдьюсері на різницю потенціалів ΔU: (6.8). Найпростіший приклад такого сенсора – термопара. Це два дроти з різних металів, які спаяно в одному кінці й розімкнено в другому. Різниця потенціалів виникає на розімкнених кінцях, якщо є різниця температур між спаяними та розімкненими кінцями дротів. Сенсорна полімерна плівка, на яку адсорбується газ із виділенням теплоти, наноситься на гарячий кінець термопари; холодний кінець залишається відкритим (рис. 6.9). Виникнення різниці потенціалів між гарячим і холодними кінцями базується на ефекті Зеєбека (Seebeck):

(6.9), α_S – коефіцієнт Зеєбека, який вимірюється у В/град і є постійною матеріалу. Для отримання максимального ΔU треба брати два дроти з максимальною різницею значень α_S.

Рис. 6.10. Коефіцієнти Зеєбека р-кремнію при різних рівнях легування: 1 – 2,4х1016 см–3; 2 – 1,0х1018 см–3; 3 – 1,5х1019см–3

Для кремнію при кімнатній температурі коефіцієнт Зеєбека може бути апроксимований функцією електричного опору як: (6.10) де ρ₀ = 5х10^–6 Ом* м, константа m ~ 2,5, k – постійна Больцмана. На рис. 6.10 показано залежність коефіцієнта Зеєбека від температури при різних концентраціях легуючої домішки. Типові значення α_S досягають 0,3–5 мВ/К. Оскільки α_S у металах на два порядки менше, ніж у кремнію, то впливом ефекту Зеєбека на будь-яких металевих з'єднаннях у сенсорі можна знехтувати в порівнянні з ефектом на контакті метал (використовують найчастіше Al контакт) – кремній. Для підвищення чутливості сенсора смужки термопар з'єднують у серію в кількості N штук (рис. 6.9). Тоді чутливість сенсора буде пропорційна добутку α_S N. Тепло, яке виділяється при адсорбції/десорбції, призводить до виникнення імпульсу термонапруги відповідного знака (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Кінетика відповіді калориметричного сенсора при дев'яти послідовних циклах подачі та випусканні трихлорметану з концентрацією: 6000, 8000, 12000, 16000, 20000, 24000, 28000, 24000 та 20000 ppm	Рис. 6.12. Схема транзистора із загальною базою (а) і залежність VBE від температури

Чутливість методу можна підняти, якщо використати замість кремнієвих термопар біполярну транзисторну структуру. Якщо маємо кремнієвий біполярний транзистор, який підключено за схемою із загальною базою (рис. 6.12, а) і постійним І_с = const колекторним струмом, то напруга база – емітер V_BE зменшуватиметься майже лінійно з температурою (6.11) де λ – константа, яка залежить від густини струму, Т – абсолютна температура. Величина λ ≈ 2 мВ/К, пряма V_BE (T) перетинає вертикальну вісь на

V _BE0 =1,27B. Ця величина не залежить від густини струму та геометрії транзистора. Таким чином, калібровка сенсора зводиться до побудови графіка V_BE(T_ref) для серії температур T_ref. Оскільки при зміні напруги колектор – база спостерігається ефект зміни ширини бази – ефект Ерлі (Early) і напруги V_BE, робочий режим сенсорного транзистора обирається за умови, що напруга колектор – база V_CB = 0B, тобто в режимі короткого замикання. Тоді, колекторний струм буде: (6.12) де A_e – площа емітера, J_s – густина струму насичення, який залежить від рівня легування. Легко розрахувати, що зміна I_c/A _e у 2 рази веде до зміни V_BE на 18 мВ, проте V_BE0 залишається сталим для всіх типів транзисторів і величин струмів: (6.13). На практиці використовують температурні сенсори на основі кремнієвих інтегральних схем (ІС), які поєднують на одному чипі електронний підсилювач, зміщення за напругою, лінеаризацію та аналого-цифровий перетворювач. Серед них найбільш відомим ІС температурним сенсором є так званий PTAT-сенсор, який генерує вихідний струм або напругу, що пропорційні абсолютній температурі. Базовим сигналом PTAT-сенсора є різниця ΔV_BE між напругою база-емітер двох транзисторів, які працюють при постійному значенні відношень їх емітерних струмів. Коли обидва транзистори мають однакову температуру Т, то з рівняння (6.13) можна знайти, що

(6.14). Для ідентичних транзисторів на одному чипі,

J_s2=J _s1. Коли відношення площ емітера r= A_e2/A _e1і відношення струмів колектора

p=I_c1/I_c2 є сталими, то (6.15).

Рис. 6.13: а) принципова схема npn-PTAT струмового джерела; б) система вимірювання температури з вихідним сигналом, який пропорційний температурі в 0C, 0F, чи в будь-якій іншій шкалі

Ця напруга пропорційна абсолютній температурі PTAT. Рис. 6.13, а показує схему PTAT струмового джерела. Транзистори Q₁ та Q₂ реалізують необхідну величину r, а транзистори Q₃ та Q₄ створюють так зване струмове "дзеркало" з величиною відношення струмів p. PTAT струмове джерело створює калібрований вихідний струм

1 мкА/К, який пропорційний абсолютній температурі та

стабілізований щодо зміни напруги живлення. Недоліком як транзисторної біполярної структури, так і PTAT-сенсора є те, що при звичайних температурах є значний початковий сигнал "зсуву". Оскільки при хімічній адсорбції температурна зміна незначна, то бажано мати трансдьюсер з нульовим початковим сигналом до адсорбції. Сигнал, який пропорційний температурі в ⁰C, ⁰F, чи будь-якій іншій шкалі можна отримати за допомогою системи, що показано на рис. 6.13, б. На ній окрім PTAT-сенсора використовують диференційний підсилювач і джерело напруги порівняння.