Lake Shore新型低温二极管温度计

      摘要

      虽然推出另一种低温二极管温度计并不是惊天动地，但 Lake Shore Cryotronics 最近推出的新型二极管温度计 DT-600 系列具有三个特点，使其在商用二极管温度计中独树一帜。 首先，这些二极管已经在芯片级进行了探测，允许使用与标准曲线相匹配的裸芯片温度计——在房地产价格昂贵（红外检测器）或需要进行原位校准的情况下，这是一个重要特征 难的。 其次，测温行业认为低温下的互换性最好。 因此，在室温下良好的互换性意味着在低温下具有非常好的互换性，从而导致传感器价格昂贵。 DT-600 系列二极管温度计的互换范围可与铂 RTD 相媲美，并具有可互换至 2 K 的额外优势。第三，也是最重要的一点，DT-600 系列二极管的 IV 特性在 在其他商业二极管温度计设备中观察到的 8 K 至 20 K 温度范围。 本白皮书介绍了 DT600 系列二极管温度计的性能特征，并比较了该器件与其他具有 I-V 不稳定性的商用二极管温度计的 I-V 曲线。

      介绍

      硅二极管结上的正向压降是温度的强函数，因此可用作温度计。 二极管的正确设计可以在 1 K 至 500 K 的温度范围内产生高信号、高灵敏度的温度计。 将硅二极管用于测温目的的研究已经进行了四十年。 目前，至少有四家公司提供专门用于低温测温的硅二极管，电子行业制造的用于测温的普通二极管/晶体管的使用也很普遍（例如型号 2N2222 和 1N4001-5）。

      低温二极管温度计与其他类型的温度计相比具有显着优势，尤其是电阻温度计 (RTD)。 二极管测温所需的仪器通常比 RTD 便宜。 制造二极管的制造方法生产的器件非常均匀，以至于可以开发出特定型号的标准响应曲线，公差在低温下为十分之一开尔文，在室温下为十分之几开尔文，从而消除 在许多应用中需要进行昂贵的单独校准。 二极管温度计在其整个有用温度范围内产生高信号和高灵敏度。 二极管的封装通常更简单，因为它们不需要许多 RTD 所需的无应力安装。 二极管温度计也比 RTD 更坚固，更能承受热冲击。 成本、互换性、易用性和可靠性导致二极管测温法在低温泵、液位检测和传输、低温冷却器和冰箱、焦平面阵列以及许多较小的应用中得到广泛使用。

      本文详细介绍了 Lake Shore Cryotronics, Inc. 推出 DT-600 系列后硅二极管测温技术取得的进步。

      数据

      由于二极管设计的专有性质，无法对 DT-600 系列二极管温度计进行完整描述。 相反，本文介绍了二极管的工作特性——从用户的角度来看，这是新二极管更重要的方面。 报告的所有数据均在制造商推荐的 10 µA DC 激励下测得。

      响应曲

      DT-600 系列二极管温度计的正向电压和灵敏度响应曲线如图 1 所示。它们显示了低于 20 K（-15 至 -38 mV/K）的高灵敏度的预期特征，20 的尖锐拐点区域 – 25 K 温度范围，以及 30 K – 500 K 的宽泛、近乎线性的响应范围。

图 1. DT-600 系列二极管温度计的正向电压和灵敏度与温度的关系。 在恒定的 10 µA 直流激励下进行的测量。

      稳定

      任何温度计的一个重要特性是其短期和长期稳定性。 在图 2a 和 2b 中，初始校准构成了基线。 图 2a 显示了 DT 600 系列二极管的短期稳定性。 执行了两次连续校准，它们之间没有老化或热循环。 低于 4 K 的偏移量增加是安装的不可重复性的结果。 二极管是高耗散器件，安装是热系统不可或缺的一部分。 在较低的温度下，很容易看到热路径的变化。 DT-600 系列二极管的长期稳定性如图 2b 所示。 在此实验中，进行了初始校准，然后进行了 200 次从室温到 77 K 的热冲击。然后进行了第二次校准。 正如预期的那样，二极管在热循环时非常稳定。

      互换性

      使用标准半导体工业技术制造 DT-600 系列二极管温度计的过程非常精确，所产生的二极管非常均匀。 这允许将二极管温度计分组为关于其典型响应曲线的少量公差带。 互换性在室温下可达 ± 0.5 K，在 4.2 K 时可达 ± 0.25 K。互换性取决于波段，设备与标准曲线匹配得越紧密，用户支付的溢价就越高。 传统上，在最低温度下提供最严格的公差，随着温度升高公差会放宽。 在 77.35 K（液氮温度）及更高温度下工作的用户被迫支付额外费用，因为在较高温度下的紧密匹配意味着在较低温度下更紧密的匹配，从而导致传感器价格更高。 表 1 给出了 DT-600 系列的市售公差/互换性带。应该注意的是，在 2 K 及以下时，高功耗是所有二极管温度计互换性的限制因素。 在此温度下，二极管温度计的功耗约为 16 µW，而碳玻璃 RTD 或 Cernox™ RTD 等电阻温度计的功耗为 0.2 nW。 在 2 K 以下，这种高功耗会导致自热，这在液体到真空校准偏移和由于安装的不可重复性导致的校准偏移中得到了证明。 如果需要超出互换性规格的更高精度，则可以单独校准二极管，从而将其精度提高十倍或更高。 得到的校准精度列在表 1 的最后一行。

图 2.a) 典型的短期稳定性，数据来自两次连续的校准运行并且没有拆卸传感器。 b) 校准运行之间从室温到 77.35 K（液氮温度）的 220 次热冲击的典型长期稳定性。

表 1. DT-600 系列二极管温度计的公差带。

      DT-600 系列二极管温度计的一个优点是，这些器件是在室温下使用 Alessi REL-4500 计算机控制的带有温度控制卡盘的自动探测器以晶圆形式探测的。 从这个过程中生成的数据和从每个晶圆上采集并校准的样本允许将二极管分类到公差范围内，而无需进一步测试。 这些数据还允许创建与 PRT 在 70 K 至 500 K 温度范围内的互换性等效的公差带，并具有标准曲线扩展至 2 K 的附加优势。

      封装和热时间常数

     DT-600 系列管芯芯片既可以作为裸芯片出售，也可以作为完全封装的器件出售。 作为裸芯片，整体尺寸为 0.41 mm 宽 x 0.43 mm 长 x 0.178 mm 高，总质量为 73 µg。 时间常数的估计值在 4.2 K 时为 1 µs，在 77 K 时为 13 µs。 上面讨论的晶圆探测和采样方法允许裸芯片与标准曲线相匹配，无需现场校准。 特征化裸芯片的可用性在红外焦平面阵列等应用中极其重要，在这些应用中，尺寸和热质量必须最小化。

      该裸片芯片的标准封装是一个扁平的密封封装，由蓝宝石底座和氧化铝主体和顶部组成。 整体尺寸为 1.9 毫米宽 x 3.2 毫米长 x 1.0 毫米高，总质量为 37 毫克。 二极管芯片共晶接合到封装腔体中的金属化蓝宝石衬底。 进行金线接合以完成电气连接，并将盖子焊接到位以形成气密密封。 馈通迹线连接到空腔外部，可伐合金导线点焊在该空腔中。 该封装专为低温二极管测温而设计，可在二极管与外界之间提供出色的热连接。 在此配置中，测得的热时间常数在 4.2 K 时小于 10 ms，在 50 K 时小于 100 ms，在 273 K 时小于 200 ms。

      交换

     许多用于低温测温的二极管都表现出一种称为开关的不良特性，其中电流的增加会导致正向电压的降低。 这种现象是由于器件中存在亚稳态，这是器件物理构成的结果。 在低温二极管温度计中，切换最有可能出现在 6 K 至 15 K 的温度范围内，尽管该范围因具体型号而异。 在实践中，可以通过小步增加激励电流（例如 0.5 µA）来观察开关。 正向电压降应随着电流的增加而增加，直到达到开关电流为止，此时电压急剧下降，达到不同的 I-V 曲线。 Lake Shore DT-500 和 DT-400 系列的开关数据于 1993 年首次报道以及工业二极管类型 1N4001-6 和 BYP 401 的数据。图 3 显示了 a) Lake Shore 在 9 K 时的 I-V 曲线 型号 DT-471-SD，b) 非 Lake Shore，商用二极管温度计，和 c) Lake Shore 型号 DT-670-SD。 请注意 DT-471-SD 和非 Lake Shore 型号中的标记开关点。 

      根据在 DT-400 系列的质量控制测试期间收集的数据，在大约 15% 的设备中观察到切换。 五台在不同时间购买但来自同一系列的非 Lake Shore 设备进行了测试，所有设备都显示出开关行为。 选择图 3b 中显示的数据来证明切换可以发生在标称 10 µA 激励电流之上和之下。 这五个器件中的三个仅在 7 µA 以下切换。 尽管对 800 多个设备进行了广泛测试，但在 DT-600 二极管温度计系列中未观察到切换。

      从制造的角度来看，设备切换到亚稳态的可能性要求制造商测试每个商用设备以确保实际上不会发生切换。 由于发生切换的最可能温度在 6-15 K 范围内，因此测试既繁重又冗长。 根据设备的设计，该温度范围可能有很大差异。

      但是，重要的是要正确看待这种现象。 仅仅存在开关并不会使特定的二极管器件变得无用。 首先，发生开关的电流与它确实发生的事实一样重要。 在远离制造商推荐的激励电流的电流下发生的开关不太可能影响二极管作为温度计的性能（图 3a）。 另一方面，接近工作电流发生的开关会导致错误的结果。 此功能指出了在指定激励下操作设备的重要性。 使用制造商推荐的激励以外的电流是有正当理由的，例如需要更高的信噪比或需要降低功耗。 但是，如果所选电流接近工作温度下的开关电流，则在推荐值以外的激励下工作可能会导致错误的结果。 其次，有源二极管温度计的自发切换极为罕见。 切换最有可能发生在激励循环关闭和重新打开时，就像在使用一组仪器扫描多个二极管温度计的应用中一样。

      辐射环境

      大多数半导体器件的物理设计包括许多用作绝缘体的氧化层。 当暴露于电离辐射时，氧化层的充电和物理损坏会显着改变设备的特性。 一般来说，用于测温的硅二极管属于此类，不推荐在辐射环境下使用。 长时间内的小剂量辐射（例如空间应用）可能会导致可接受的校准偏移，但较大的剂量会导致较大的校准偏移，如图 4 所示。图 4a 显示了由于使用 10,000 灰度的室温照射导致的校准偏移 剂量率为 0.5 gray/s 的铯 137 伽马辐射源。 请注意，即使在这个高水平，对于低于 70 K 的温度，感应偏移仍低于 1 K。图 4b 显示了由于使用具有 2x1011 中子的池式反应堆对 1x1014 中子/cm2 的注量进行室温辐照而导致的校准偏移 /cm2 /s 通量。

图 3. 三种低温二极管温度计型号的电压与电流：a) Lake Shore 型号 DT-471-SD，b) 非 Lake Shore 市售二极管温度计，以及 c) Lake Shore Cryotronics 型号 DT-670-SD . 请注意 DT-471-SD 型号和非 Lake Shore 型号的切换。

图 4. DT-600 系列中的辐射引起的偏移。 a) 在室温下通过铯 137 源以 0.5 戈瑞/分钟的通量进行伽马射线照射，总剂量为 10,000 戈瑞，b) 在池式反应器中，在室温下进行中子照射，总注量为 1x1012 中子/cm2。

      一段时间（例如空间应用）可能会导致可接受的校准偏移，但较大的剂量会导致较大的校准偏移，如图 4 所示。图 4a 显示了由于使用铯 137 伽马辐射源在室温下照射至 10,000 灰度而导致的校准偏移 剂量率为 0.5 gray/s。 请注意，即使在这个高水平，对于低于 70 K 的温度，感应偏移仍低于 1 K。图 4b 显示了由于使用具有 2x1011 中子的池式反应堆对 1x1014 中子/cm2 的注量进行室温辐照而导致的校准偏移 /cm2 /s 通量。

      磁场环境

      硅二极管通常不用于磁场中，因为这些磁场会引起较大的校准偏移。 这些传感器表现为霍尔效应器件，在结点上产生磁场感应电压，导致巨大的偏移，这既取决于温度又取决于方向。 表 2 中列出了 DT-600 系列二极管在 4.2 K 下测得的典型磁场感应偏移，场强范围为 0 至 5 特斯拉，结方向垂直和平行于磁场。

表 2. DT-600 型系列二极管温度计在 4.2 K 时磁场引起的偏移。

      结论

      Lake Shore Cryotronics 推出了一种新的二极管温度计 DT-600 系列，采用最先进的半导体技术制造。 这种新的二极管温度计保持了以前低温二极管的优点（高信号、高灵敏度、宽温度范围、良好的稳定性、鲁棒性、小物理尺寸、小热质量/快速热响应）并引入了三个重要的新特性。 首先，该设备以芯片形式提供，作为与标准曲线匹配的现成温度计。 其次，DT-600 系列的公差带可与铂 RTD 公差带相媲美，在室温下具有最紧密的匹配，但标准曲线可延伸至 2 K。第三，与许多其他低温二极管温度计不同，DT- 600 系列没有显示切换的迹象。