Hапівпровідhиковий термоаhемометр

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, а саме до приладів, які можуть вимірювати малі швидкості (до 0,2м/с) потоку газу. Відомий напівпровідниковий термоанемометр на малі швидкості потоку, який містить чутливий елемент (ЧЕ) з ниткоподібного монокристала Si p-типу, омічні контакти, струмовиводи (Дрожжин А.И., Седых Н.К., Сарыкалин В.Н. и др. Термоанемометр для малых скоростей потока // Измерительная техника. - 1980. - №10. - С.33 - 35). Його недоліком є порівняно невелика чутливість (g = DU/DV £ 0,8В.с/м). Більш чутли вими (£10В.с/м) є термоанемометри з ниткоподібних монокристалів твердого розчину GaAsP (Авторское свидетельство СССР №1569858, 1990). Однак вони дорожчі і складніші у виготовленні. Найбільш близьким до винаходу по технічній суті і результату, що досягається, є напівпровідниковий термоанемометр з ЧЕ з ниткоподібного монокристала твердого розчину Si-Ge з електричними контактами й струмовиводами (Байцар Р.И., Дмитрук Ю.В., Красноженов Е.П. Термоанемометр на нитевидных монокристаллах // Вестн. Львов. политехн. ин-та, №161. Теория и проектирование полупроводниковых и радиоэктронных устройств и систем. - 1982. - С.8 - 10). Відомий термоанемометр є широкодіапазонним, має ЧЕ з питомим опором матеріалу r o @ 0,1Ом.см, номіналами опорів Ro @ 500Ом (20°C), електричні контакти до ЧЕ виконані омічними. Термоанемометр теж включає мостову вимірювальну схему, держак, на якому встановлено ЧЕ. Його недоліком є низька чутли вість (DU < 20мВ) при вимірюванні малих потоків. В основу винаходу поставлене завдання створення напівпровідникового термоанемометра, в якому внаслідок підбору певного складу твердого розчину Si-Ge і його електричних параметрів забезпечується утворення випрямних стр уктур і за рахунок цього підвищується чутливість до малих швидкостей потоку. Поставлене завдання вирішується тим, що напівпровідниковий термоанемометр, який містить чутливий елемент з ниткоподібного монокристала твердого розчину Si-Ge з електричними контактами і струмовиводами, держак, електричну вимірювальну схему, згідно з винаходом, відрізняється тим, що контакти виконані випрямними, причому в твердому розчині Si-Ge вміст Ge становить 0,01, а питомий опір монокристала рівний або перевищує 4Ом×см. Вказаний склад твердого розчину - 0,01Ge (1ат.% Ge) забезпечує високу однорідність і структурну досконалість ЧЕ, а також можливість керування питомим опором. Матеріал ЧЕ (ниткоподібний монокристал) є високоомним з r o ³ 4Ом.см (до 250Ом.см). Такі параметри забезпечували технологію одержання ЧЕ методом хімічних транспортних реакцій в замкнутій системі. Як вихідні, використовували окремі компоненти Si і Ge марки КДБ-0,4 і ГДБ-0,4; легуючими домішками служили Au і Pt, реагентом-перенощиком - Bz. Особливістю (технології одержання ЧЕ порівняно з прототипом є відсутність легуючої компоненти B2O3, завдяки чому в матеріалі проявляється глибокий рівень Au з енергією активації ~0,35еВ, що приводить до зростання r o та підвищення температурного коефіцієнта зворотнього опору (³1%/K), що і обумовлює підвищення чутливості термоанемометра. Крім цього, при створенні приварюваннями Pt-мікродроту електричних контактів до монокристалів такого r o одержували випрямні структури (симетричні або асиметричні, фіг.2), механізм провідності через які уніполярна провідність плюс теплова генерація, що теж є причиною підвищеної чутливості. На фіг.1 представлена схема напівпровідникового термоанемометра; на фіг.2 - вольтамперна характеристика ЧЕ; на фіг.3 - градуювальна характеристика термоанемометра при декількох струмах живлення. Напівпровідниковий термоанемометр містить ЧЕ 1 з ниткоподібного монокристала твердого розчину Si-Ge в якому вміст Ge становить 0,01, а питомий опір монокристала рівний або перевищує 4Ом.см, до кінців якого приєднані електричні випрямні контакти 2, що переходять в струмовиводи 3, які закріплені на кільцевому держаку 4 з допомогою клею 5. Електрична вимірювальна схема включає джерело живлення 6, міліамперметр 7, цифровий вольтметр 8. Виготовляють термоанемометр таким чином. До кінців ЧЕ 1 електро-імпульсним приварюванням Ptмікродроту Æ40мкм створюють електричні контакти 2, які переходять в струмовиводи 3. За допомогою клею 5 закріплюють ЧЕ 1 з контактами 2 і струмовиводами 3 на кільцевому фторопластовому держаку 4. Струм розігріву ЧЕ 1 задають від стабілізованого джерела постійного струму 6, його величину контролюють міліамперметром 7 (B7-35), спад напруги на ЧЕ 1 вимірюють цифровим вольтметром 8 (B7-16A, B7-21A). Геометричні розміри ЧЕ: l = 2,5 - 3мм, ширина грані (шестигранника) 30 - 40мкм. Як основний робочий режим використовували прямий напрямок струму через ЧЕ, що не вимагало високовольтних джерел живлення (Rпр. £ 0,8МОм, Rзв @ 11МОм) Вольтамперна характеристика ЧЕ наведена на фіг.2, крива 9. При пропусканні фіксованого струму Io від стабілізованого джерела постійного струму 6 через ЧЕ 1 на ньому виникає спад напруги Uo, який вимірюють вольтметром 8. При відсутності потоку і струмі Io = 0,8мА він складає Uo = 136,5В. При обдуві ЧЕ 1 заданим потоком повітря ця напруга зменшується до значення U. Її зміна DU = U o - U як функція швидкості потоку повітря V для різних струмів розігріву ЧЕ 1 : 0,6; 0,7 : 0 ,8; 1,0 МА (криві 10, 11, 12, 13) представлена на фіг.3. Це і є градуювальний графік термоанемометра. Для градуювання використовували лабораторну установку, яка включає компресор, регулювальні клапани, ротаметр, нагрівні спіралі, і на виході труби якої встановлювали кільцевий держак з термоанемометром. Користуючись графіком фіг.3, і маючи значення Uo для даного Io і температури середовища, можна вимірювати швидкості потоку. Як бачимо з фіг.3, зміна напруги на ЧЕ 1 при V < 0,2м/с перевищує 10В, а чутливість до потоку складає DU/DV ³ 100В × с/м, що більш ніж в 103 раз перевищує чутливість прототипа, відповідний коефіцієнт якого досягає 50мВ × с/м. При зменшенні струму живлення до Io = 0,6мА можна розширити робочий діапазон вимірюваних швидкостей потоку до 1м/с (крива 10, фіг.3).