Багатофункційний датчик для кріогенних температур

Реферат: Багатофункційний датчик для кріогенних температур містить два тензорезистори на основі ниткоподібних кристалів із кристалографічною орієнтацією [111], один з яких ниткоподібний кристал германію р-типу провідності, закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу, паралельно один одному та перпендикулярно до терморезистора з кремнію р-типу провідності. При цьому другий тензорезистор виконаний з антимоніду індію n-типу провідності. UA 119016 U (12) UA 119016 U UA 119016 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до приладів, які можуть одночасно вимірювати температуру, деформацію та магнітне поле, і може використовуватись у кріоенергетиці, кріоелектротехніці, кріоелектроніці, а також ракетній техніці та інших галузях науки та техніки. Відомий багатофункційний датчик для вимірювання деформації, магнітного поля і температури, який виготовлено на основі ниткоподібного кристалу (МК) [Р.І. Байцар, С.С. Варшава, А.В. Прохорович, Є.Ф. Венгер. Багатофункційний датчик. Патент України № 28394 від 16.10.2000 за заявкою 96124638 від 12.12.1996. Бюл. № 5 від 2000.]. Однак представлений багатофункційний датчик, виконаний в одному НК, недоліком конструкції якого є те, що три вимірювані параметри: деформація, магнітне поле та температура будуть істотно впливати один на одного, що істотно знизить точність їх вимірювання. Конструкція багатофункційного датчика не забезпечує температурну компенсацію тензочутливості й температурної залежності чутливості до магнітного поля. Крім того, багатофункційний датчик має малий діапазон вимірюваних магнітних полів до 0,5 Тл і невисоку чутливість до магнітного поля, а також працездатний в інтервалі кліматичних температур 233-333 K, що не дозволяє його використання в кріоелектроніці та ракетній техніці, де температури істотно нижчі. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого є багатофункційний датчик для кріогенних температур, що призначений для вимірювання деформації, магнітного поля і температури, який містить три чутливих елементи, створені на основі трьох ниткоподібних кристалів, тому вимірювані параметри не будуть впливати один на одне. Як чутливі елементи деформації та температури використано НК кремнію та германію р-типу провідності, відповідно, а як чутливий елемент магнітного поля - НК германію n-типу провідності. Використання трьох чутливих елементів і підбір їх матеріалів дозволив підвищити чутливість і точність вимірювань, а також розширити діапазони вимірювання магнітного поля і температури [А.О. Дружинін, О.П. Кутраков, Н.С. Лях-Кагуй. Багатофункціний датчик. Патент України на корисну модель № 106175 від 25.04.2016 за заявкою № u 201507474 від 27.07.2015. Бюл. № 8 від 2016.]. Однак, даний багатофункційний датчик, за рахунок використання як чутливого елемента магнітного поля - НК германію n-типу провідності, має істотний недолік, пов'язаний із низькою чутливістю до вимірюваного параметра та істотною залежністю магнітоопору від температури. В основу корисної моделі поставлено задачу створити багатофункційний датчик для кріогенних температур, в якому за рахунок підбору матеріалу чутливого елемента магнітного поля підвищиться чутливістю до вимірюваного параметра і магнітоопір буде практично незалежним від температури. Поставлена задача вирішується тим, що у багатофункційному датчику для кріогенних температур, що містить два тензорезистори на основі ниткоподібних кристалів із кристалографічною орієнтацією [111], один з яких ниткоподібний кристал германію р-типу провідності, закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу, паралельно один одному та перпендикулярно до терморезистора з кремнію р-типу провідності, згідно з корисною моделлю, другий тензорезистор виконаний з антимоніду індію n-типу провідності. Підбір матеріалу чутливого елемента магнітного поля на основі НК приводить до підвищення чутливості при вимірюванні індукції магнітного поля до 10 Тл та незалежності магнітоопору від температури в інтервалі 4,2-70 K та в магнітних полях до 7 Гл. Для вимірювання індукції магнітного поля в заданих інтервалах використовують тензорезистор на 16 основі НК антимоніду індію n-типу провідності з концентрацією легуючої домішки олова 4×10 -3 см . На фіг. 1 схематично зображено багатофункційний датчик для кріогенних температур, де 1, 2 - тензорезистори та 3 - терморезистор, які закріплені на підкладці - 4. На фіг. 2 наведено залежності відносної зміни опору від магнітного поля для тензорезисторів на основі НК антимоніду індію n-типу провідності з концентрацією легуючої 16 -3 домішки олова 4×10 см , за температур: І - 4,2 К; II-13 К; III-29 К, IV-42 К; V-60 К, VI-70 К. Багатофункційний датчик для кріогенних температур (фіг. 1) складається з тензорезисторів 1, 2 для вимірювання деформації і магнітного поля, а також терморезистора 3 для вимірювання температури і температурної компенсації тензочутливості, які закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу 4. Тензорезистори 1 та 2 виконано на основі НК германію р-типу провідності і антимоніду індію n-типу провідності, відповідно. НК германію з концентрацією 17 -3 легуючої домішки галію 5×10 см та НК антимоніду індію з концентрацією легуючої домішки 6 -3 олова 4×10 см , що зазнають деформації стиску або розтягу, а терморезистор 3 виконано на 18 -3 основі НК кремнію р-типу провідності, з концентрацією легуючої домішки бору 5×10 см . Тензорезистор 2 має істотну зміну опору від магнітного поля в інтервалі температур 4,2-70 К і магнітоопір не залежить від температури в магнітних полях до 7 Тл (фіг. 2). 1 UA 119016 U 5 10 Багатофункційний датчик для кріогенних температур працює так. Тензорезистори 1, 2 та терморезистор 3 закріплені на підкладці 4 таким чином, що тензорезистори 1, 2, розміщені паралельно один одному відчувають деформацію стиску або розтягу, а терморезистор 3, закріплений перпепендикулярно до тензорезисторів 1, 2, не відчуває деформацію. Вплив деформації зумовлює сигнали з тензорезисторів 1, 2, що є однаковими за значенням і різними за знаком, а вплив магнітного поля зумовлює сигнали одного знаку. Це дозволяє розділити сигнали при вимірюванні деформації та магнітного поля. Використання тензорезистора 2 на основі НК антимоніду індію n-типу провідності з 16 -3 концентрацією легуючої домішки олова 4×10 см для вимірювання магнітного поля дозволило істотно підвищити чутливість вимірюваного параметра в інтервалі температур 4,2-70 K, а також досягнути незалежності магнітоопору від температури в магнітних полях до 7 Тл. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Багатофункційний датчик для кріогенних температур, який містить два тензорезистори на основі ниткоподібних кристалів із кристалографічною орієнтацією [111], один з яких ниткоподібний кристал германію р-типу провідності, закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу, паралельно один одному та перпендикулярно до терморезистора з кремнію р-типу провідності, який відрізняється тим, що другий тензорезистор виконаний з антимоніду індію n-типу провідності. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2