принципы построения и основные тенденции развития микроэлектронных сенсоров

Основные результаты диссертационной работы докладывались на симпозиумах, конференциях: конференции ECLC 97. Наука и технология, Польша, Закопане, 1997г.; 6-той научной конференции "Электронная технология", Польша, Крыница, 1997г.; 1-м Международном симпозиуме по микроэлектронных технологий и микросистем, Польша, Жешув, 1997г.; 21-ший конференции ISHM, Польша, Устронь, 1997г.; 6-м Международном симпозиуме "Передовые дисплейные технологии", Украина, Партенит, 1997г.; 5-той научной конференции "Оптоэлектронные и электронные сенсоры", Польша, Юрате, 1998г.; 22-гий конференции IMAPS, Польша, Закопане, 1998г.; 2-м Международном симпозиуме по микроэлектронных технологий и микросистем, Украина, Львов, 1998; 3-м Международном симпозиуме по микроэлектронных технологий и микросистем, Словакия, Кошице, 1999г.; 23-той конференции IMAPS, Польша, Кошалин-Колобжег, 1999г.; 7-мой конференции "Световоды и их применение", Польша, Красноброд, 1999г.; 4-м Международном симпозиуме по микроэлектронных технологий и микросистем, Германия, Цвикау, 2000г.; конференции "Оптоэлектронные информационные технологии ", Украина, Винница, 2000г.; 5-м Международном симпозиуме по микроэлектронных технологий и микросистем, Румыния, Питешти, 2001г.; AMSE конференции по моделированию, Украина, Львов, 2001г.; 25-той конференции IMAPS, Польша, Жешув-Полянчик, 2001г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 196 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 345 страниц, в том числе 313 страниц основного текста, 179 рисунков, 20 таблиц.

Увступи отражены актуальность проблемы, обоснованно цель и основные задачи исследования. Показана связь работы с научными планами, темами. Сформулированы научная новизна и положения, выносимые на защиту. Рассматриваются практическая ценность и внедрение результатов работы. Приводятся данные о личном вкладе соискателя, апробацию работы и публикации.

В первом разделе проанализированы принципы построения и основные тенденции развития микроэлектронных сенсоров температуры на основе интегральной электроники и оптики. Показано, что определенные классы сенсоров температуры развиты недостаточно, а актуальность таких сенсоров является значительным на сегодняшний день. В классы сенсоров температуры принадлежат термосенсорни интегральные схемы с отсчетом относительной температуры, жидкокристаллические сенсоры температуры на основе электрооптических эффектов в жидких кристаллах, волоконно-оптических элементов и их комбинации, измерительные устройства на основе термозалежних пленочных резисторов, которые являются предметом исследований данной диссертационной работы. На основе анализа тенденций развития микроэлектронных сенсоров, в частности термосенсорних интегральных схем, жидкокристаллических и волоконно-оптических сенсоров температуры, в первой главе определены цель и задачи исследований.

В основу проведенных во второй главе диссертации исследований положены оригинальную схему узла первичного преобразователя с отсчетом относительной температуры, принцип работы которого заключается в формировании тока с линейной зависимостью от абсолютной температуры и дальнейшем его превращении в дифференциальный сигнал, величина которого определяется шкале относительной температуры.

Основными составляющими предложенных в диссертационной работе преобразователей термосенсорних ИС являются: функциональный стабилизатор - формирователь тока ИТ на элементах Т1-Т4, RE, RZ, токовое зеркало - делитель на Т5-Т7 и элементы формирования относительной температуропровиднои шкалы D, RT, RL, R0. В зависимости от требований к параметрам выходного сигнала преобразователь может иметь модификации, в частности схемы, приведенные на рис.1, а, б.

Приняв, что активная площадь транзисторов Т1-Т3 и электрофизические параметры их структур взаемототожни, т.е. тождественны их токи насыщения Иs1 = Иs2 = Иs3 = IS, а активная площадь эмиттера Т4 в р раз больше, чем в Т1-Т3, т.е. Иs4 = рИs, значение выходного тока ИТ функционального стабилизатора определяется как:

где - температурный потенциал; m - коэффициент неидеальности эмиттерного pn переходов транзисторов; k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона; T - абсолютная температура; p - коэффициент масштабирования; RE - резистор в эмиттерной цепи стабилизатора.

Таким образом, ток ИТ в первом приближении не зависит от напряжения питания и тока через резистор начального смещения RZ, т.е. имеет место стабилизация режима питания. Кроме того, величина ИТ характеризуется линейной зависимостью от абсолютной температуры Т, а крутизна этой зависимости составляет

Анализ показывает, что температурный коэффициент напряжения (ТКН) выходного напряжения UT + есть положительный и может задаваться соотношением между резисторами RT / RE, а ТКН напряжения UT-- отрицательный и определяется разницей между шириной запрещенной зоны полупроводника и падением напряжения на pn-переходе. Таким образом, для формирования шкалы относительных температур достаточно взаимно вычесть эти напряжения в определенной пропорции.

В ходе исследований проведен детальный анализ нестабильности выходных сигналов узла первичного преобразования, определяющими факторами которой являются изменение токов базовых кругов и модуляция коллекторной напряжением входной характеристики транзисторов. Обнаружен новый эффект - при увеличении напряжения питания выходной ток стабилизатора Iout может не только расти, но и, переходя точку с нулевым приростом, спадать, что свидетельствует о возникновении отрицательной проводимости. Режим с нулевым приростом выходных сигналов при изменении напряжения питания оказался достаточно стабильным и эффективным для создания преобразователей с минимальной зависимостью сигналов от напряжения питания.