X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Без чувствительных и быстродействующих термодатчиков трудно представить успешное решение современных технических и экологических задач. При этом особый интерес представляет разработка термодатчиков позволяющих дистанционно управлять и контролировать температуру объекта.

Термодатчики на основе полупроводниковых материалов и структур достаточно хорошо изучены. Однако разработка более чувствительных, быстродействующих термодатчиков с минимальной потребляемой энергией остаётся одной из актуальных задач современной электроники. Но следует отметить, что для создания современных термодатчиков использование традиционных материалов и структур практически исчерпало свои возможности[1]. Поэтому для создания нового поколения чувствительных датчиков следует использовать новые материалы или новые физические явления. В этом плане представляет большой интерес представляет использование полупроводниковых материалов с нанокластерами примесных атомов[2,3].

Как известно из числа переходных элементов в кремнии, никель обладает достаточно высокой растворимостью и большим коэффициентом диффузии. Выбор в качестве компенсирующей примеси никеля обусловлен тем, что в широкой области температур, состояние атомов примеси в решетке кремния достаточно стабильно (100450 °С) и соответственно параметры Si, легированного им.

Технология легирования кремния никелем с заданными параметрами разработана и освоена нами практически на промышленном уровне и не требует дополнительных операций в (механических, химических и т.д.) после диффузионного легирования. Можно легировать никелем кремниевые пластины достаточно большой площади, более 100 см², что очень важно для промышленного, серийного выпуска термодатчиков с воспроизводимыми параметрами.

Нами разработан новый способ легирования так называемая низкотемпературная диффузия, позволяющая участвовать всем введенным атомам никеля в формировании нанокластеров с заданными характеристиками. Сущность данного способа заключается в проведении поэтапной диффузии никеля в кремнии с заданной скоростью, нагревом и выдержкой на каждом этапе с определенным временем. Управляя скоростью нагрева и выдержки на каждом этапе диффузии, можно управлять концентрацией распределения и параметрами нанокластеров и атомов никеля в решетке кремния. Такая технология легирования позволяет не только существенно сократить время диффузии в 1,51,7 раза, в 1,72 раза экономить электроэнергию, но и получить однородный легированный материал со стабильными и заданными электрофизическими параметрами[4].

На рисунке 1 показан общий вид предлагаемой измерительной системы.

Для изготовления термодатчиков полученный материал подвергался соответствующей механической и химической обработке. На его поверхности химическим путем осаждался металлический никель толщиной d=1 мкм с последующим термоотжигом в вакууме при Т=450470°С в течение t=1215 минут. Далее полученные кремниевые пластины разрезались на специальной установке на квадраты с размерами 1,5х1, 5х0,5 мм³. После лужения и пайки внешних контактов производилась герметизация термодатчиков.

При выборе герметика основное внимание было обращено на его прочность, водонепроницаемость, стойкость к различным кислотам и щелочам. Термостойкость и теплопроводность герметика обеспечивает высокое быстродействие и эксплуатационные параметры готовых термодатчиков. Исследование ВАХ показало, что контакты являются омическими во всей исследуемой температур. В таблице 1 приведены основные параметры термодатчиков, изготовленных на основе Si.

Таблица 1

Основные параметры термодатчика

Партия	Номинальное сопротивле-ние при 300 К	Чувстви-тельность В, К	Рабочая температур-ная область, К	Время установ-ления τ1, с	Время восстанов-ления τ2, с	Размеры термодатчика мм3
1	5·103 5,1·103 5,1·103	4800 4820 4850	-100÷350 -100÷350 -100÷350	3÷6 3÷6 3÷6	10÷14 10÷14 10÷14	1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5
2	5,3·104 5,5·104 5,6·104	5500 5600 5600	-100÷370 -100÷370 -100÷370	3÷6 3÷6 3÷6	10÷14 10÷14 10÷14	1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5
3	5,2·105 5,5·105 5,4·105	6600 6750 6670	-80÷380 -80÷380 -80÷380	3÷6 3÷6 3÷6	10÷14 10÷14 10÷14	1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5
4	1,2·106 1,18·106 1,25·106	7200 7200 7250	-60÷410 -60÷410 -60÷410	3÷6 3÷6 3÷6	10÷14 10÷14 10÷14	1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5 1,5 x 1,5 x 0,5

Из этих таблиц видно, что термочувствительность представленных термодатчиков очень высокая, она в 2550 раз больше, чем в существующих самых чувствительных термодатчиков. В результате теоретических расчетов и анализа параметров термодатчиков, изготовленных на основе Si с собственной проводимостью полученного бестигельной зонной плавкой с ≈2∙10⁴ Ом∙см, было установлено, что чувствительность этих термодатчиков также на 5070% ниже, чем у разработанных нами термодатчиков.

Следующая особенность наших термодатчиков – это достаточно высокое быстродействие как при установлении, так и при восстановлении температуры объекта. При эксплуатации, наш термодатчик потребляет очень мало энергии.

Из полученных результатов можно сделать вывод, что стабильность параметров, малое потребление энергии при эксплуатации, высокая чувствительность, высокое быстродействие и возможность использования наших термодатчиков для дистанционного управления температурой объекта.

Литература

http://www.w3.jrg/TR/htm14/Joose.dtd.

Мельвидский М.Г., Малдышев И.И. «Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках и новый подход к формированию свойств материалов». ФТП, 1998, т. 32, № 5, стр. 513–520.

Суздалов И.П. «Физика-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов». Москва, 2005, стр. 590.

Бахадырханов М.К., Аюпов К.С. «Термические свойства кремния с кластерами атомов никеля». Известия ВУЗов «Физика», Россия, 2008, № 12, стр. 170-172.

Код для цитирования: Скопировать