При розробці напівпровідникових датчиків для кріогенного діапазону температур  підбирають або спеціально отримують  матеріали, що мають оптимальні еоектрофізичні властивості для цього діапазону.  Конструкція корпусу датчика повинна витримувати вказані екстремальні умови і не впливати на характеристики чутливих елементів. Крім того, враховуючи велику кількість чинників вимірів, що впливають на точність, часто виникає необхідність розробки нових методик виміру.

          У сучасних мікроелектронних приладах напівпровідниковий матеріал застосовується як правило в плівковому  виді, переваги якого полягають в можливості використання інтегральних технологій, створення серіїв перетворювачів з ідентичними характеристиками, нижча вартість отримуваних чутливих елементів та ін.

          Нами для створення експериментальних зразків широкодіапазонних напівпровідникових вимірювальних перетворювачів використані плівки арсеніду галію на напівізолюючому арсеніді галію, плівки поликремния на підкладках з кремнію, плівки германію на підкладках з арсеніду галію, а також об'ємний дисперсний  германій. Ці перетворювачі працездатних і в кріогенному інтервалі температур. Дослідження проведені в діапазоні  4.2-300 К.

          1. Датчики механічних деформацій

          Для створення датчиків механічної деформації використані плівки полікристалічного кремнію n і р-типа провідності, завтовшки 0.6 мкм і рівнями легування 10^17 - 5·10^19 см ^- 3 . Плівки отримано на підкладки з монокристалічного кремнію з шаром SiO2 на поверхні.

          Датчик складається з інтегрального чутливого елементу, виконаного на основі плівки кремнію. Конструкція датчика і інтегральне виконання чутливого елементу датчика забезпечують термокомпенсацию основних параметрів, компенсацію впливу магнітного поля і відсутність поперечної тензочувствительности. Розмір  датчика 8.0х0.6х0. 4 мм, вхідне і вихідне електричні опори залежно від рівня легування і товщини плівок можуть змінюватися в межах 200 - 3000 Ом, струм живлення залежить від величини опору і як правило знаходиться в межах 1 - 10мА. Відмінність у величинах електричного опору датчиків одній партії не  перевищує 5%, а при необхідності партія датчиків може бути сформована з практично ідентичних за технічними характеристиками. Тензочувствительность ΔUв /Δε складає величину приблизно 100мкВ/млн- 1 при напрузі живлення 5В. Величина нульового (початкового) вихідного сигналу датчика Uо ~ 20мВ. Температурна залежність тензочувствительности приблизно 0,02%, а Uо ~ 20мкВ/К.

          Принцип роботи тензодатчика полягає в зміні електричного опору резистивних елементів інтегральної мікросхеми при додатку механічної деформації уздовж осі датчика, раскомпенсации мікросхеми і появі, в результаті цього, електричної напруги Uв на вимірювальних контактах при живленні  датчика струмом або напругою.

          Величину деформації об'єкту при вимірах в умовах термостабілізації можна визначити по формулі:

                                                                                                          ε = (Uв - Uо)/k                  (1)

де Uв - вихідний сигнал датчика після появи деформації ε иследуемого об'єкту, Uо - початковий вихідний сигнал, який після монтажу датчика на об'єкт може трохи відрізнятися від вказаного в паспорті, оскільки в паспорті Uо вказане для вільного тензодатчика, k =ΔUв /Δε - тензочуствительность датчика.

          Для монтажу датчика на об'єкт дослідження можуть бути використані широко вживані в тензометрии клеї, що забезпечують достатню жорсткість монтажу.

          При визначенні коефіцієнта тензочувствительности знак деформації стискування прийнятий негативним і це повинно враховується в  даних на датчик.

          На мал. 1 показані залежності від температури електричного опору (1), нульового вихідного сигналу(2), тензочувствительности k =ΔUв /Δε (3) і вихідного сигналу датчика, наклеєного на сталеву пластинку (4). Останній відстежує термічну напругу.

         На мал. 2 показана залежність вихідної напруги Uв від величини прикладеної деформації. Графік свідчить про хорошу лінійність характеристики майже до деформацій 2х10^3 млн^- 1.

          Результати дослідження  датчиків в магнітному полі при Т= 4.2 До показують, що погрішність за рахунок впливу магнітного поля до 7 Тл не перевищує 3%.

          Необхідно відмітити, що якщо ТКР матеріалу досліджуваного об'єкту  значно відрізняється від ТКР матеріалу датчика, то в широкому діапазоні температур може виникати термонапряжения, що виходить за межі працездатності датчика. Відмічене необхідно враховувати при підготовці до вимірів і обробки отриманих результатів. Ці проблеми також вимагають подальших досліджень і удосконалення датчиків.

          2. Датчики температури (терморезистори)

          Для виміру температури в кріогенному діапазоні використовуються різні конструкції датчиків і різні напівпровідникові матеріали як основа для чутливого елементу. Проте відомі напівпровідникові матеріали, як правило, не дуже стабільні і, крім того, чутливі до сторонніх зовнішніх дій (наприклад, магнітному полю).

          Нами для створення експериментальних датчиків температури використаний об'ємний дисперсний германій. Дисперсний германій отриманий на основі початкового монокристалічного германію n -типа з питомим опором 15 Ом·см. В результаті дисперсний германій мав р-тип провідності з високою концентрацією носіїв струму при кімнатній температурі. Можна припустити, що акцепторні рівні створені структурними дефектами. Cтруктура використовуваного нами матеріалу призводить до низької рухливості носіїв струму і відповідно до низького магнитосопротивлению ( низькій погрішності), що важливо при вимірах в магнітних полях.

          Розміри чутливих елементів перетворювачів   приблизно 0.5х1.0х1.0 мм. Електричний опір  при 300 К складає величину 1-10 Ом,

при 77 До - 50-100 Ом, при 4.2 К приблизно 50-100 кОм. Чутливість при 4.2 До - 50-100 %/К. Струми живлення при 4.2 До - 1-10 мкА.

          На мал. 3 показана характерна температурна залежність величини електричного опору датчиків, на основі дисперсного германію.

          3. Датчики магнітного поля

          Технічні характеристики датчиків магнітного поля на основі ефекту Холу (датчиків Холу) залежать як від використовуваного матеріалу, так і від геометричних розмірів і форми чутливого елементу. Найчастіше для чувствительньх елементів датчиків Холу використовують такі матеріали як InSb і GaAs, основні переваги яких полягають у високій рухливості носіїв зарядів.

          Нами для створення датчиків використані плівки GaAs на напівізолюючому арсеніді галію. Метою розробки було створення датчиків з низькими рівнями шумів, високою лінійністю залежності корисного сигналу від магнітного поля, слабкою залежністю параметрів від температури, а так само  мініатюризація робочої зони.

          Товщина плівок СаАs варіювалася в межах 0.1-5 мкм, концентрація носіїв струму 1·10^17 -  5·10^18 см^- 3.  Розмір робочої зони 100 х 30 мкм. Залежно від товщини плівок і концентрації носіїв струму вхідне і вихідне електричні опори датчиків змінювалися в межах 15 - 1500 Ом. Струми живлення  3 - 150 мА. Початковий вихідний сигнал Uo  знаходився в межах 0.01 - 5 мВ, температурна залежність Uo менше 0,1%/K, R ~ 0,08 %/K, чутливість до магнітного поля в межах 80 - 500 мВ/Тл. Лінійність вихідного сигналу в полі до 2 Тл не гірше 0,1%. Датчики працездатні в діапазоні температур 4.2 - 400 К.

Висновки

          Розроблена конструкція датчика механічної напруги і методика вимірів дозволяють проводити виміри механічних деформацій в діапазоні температур 4.2-400К. Зразкова оцінка  погрішності показує, що вона буде не більше 6%. Магнітне поле до   7 Тл при температурі 4.2К призводить до погрішності не більше 3%.

          Датчики магнітного поля працездатні в широкому діапазоні температур, мають слабку температурну залежність чутливості і початкового вихідного сигналу (менше 0.1%). Нелінійність вихідного сигналу не перевищує 0.1% в полі до 2Тл, чутливість може досягати 500 мВ/Тл.

          Датчики температури можуть застосовуватися в широкому діапазоні, в магнітних полях. Мають високу чутливість і стабільність. Їх можна використовувати як для вимірів, так і для високоточної термостабілізації різних пристроїв.

          З літератури  відомо, що з радіаційного випромінювання на еоектрофізичні властивості напівпровідників найбільша дія робить нейтронне опромінення. Причому механізм впливу полягає в основному в утворенні структурних дефектів і радіоактивному перетворенні атомів. З підвищенням рівня легування вплив опромінення ослабляється. Проведені нами дослідження показали, що при 300К нейтронне опромінення до 10^15 см ^- 2 практично не впливає на основні технічні характеристики розроблених датчиків.

          Висока чутливість і слабка залежність від сторонніх дій, стабільність свідчень вимірювальних перетворювачів дозволяють використовувати їх для прецизійних вимірів фізичних величин, а так само для створення датчиків переміщень, прискорення, положення в просторі та ін.