Пристрій для вимірювання температури

Пристрій для вимірювання температури, який містить в собі чутливий pn-перехід, корпус і виводи, який відрізняється тим, що додатково містить 31389 типу від полярності прикладеної напруги призводить до поганої захищеності від впливів електричних перешкод [4]. Задачею запропонованого пристрою є підвищення точності вимірювання шляхом виключення впливу полярності прикладеної напруги на точність вимірювання температури, а також підвищення захищеності пристрою від впливу електричних перешкод. Пристрій, який запропоновано, вміщує чутливий pn-перехід, корпус, виводи і відрізняється тим, що додатково містить чутливий pn-перехід, розташований на основі корпуса, концентрація акцепторних домішок в р-області та донорних домішок в nобласті переходів рівні, області протилежної провідності чутливи х pn-переходів з'єднані електричними перемичками, основа і кришка корпусу виготовлені з теплопровідного і електроізоляційного матеріалу, а чутливі елементи прикріплені до основи корпуса за допомогою теплопровідного пластичного та електроізоляційного клею. На відміну від прототипу запропонований новий пристрій для вимірювання температури вміщує нові конструктивні ознаки, які забезпечують досягнення нового позитивного результату - виключає залежність точності вимірювання від полярності прикладеної напруги, що призводить до розширення функціональних можливостей пристрою, який запропоновано, та збільшується перешкодозахищеність від впливу електричних перешкод. Експериментально встановлено, що виконання чутливого елементу конструкції у вигляді двох pn-переходів, розміщених на основі корпусу, причому концентрація акцепторних домішок в р-області та донорних домішок в n-області pn-переходів рівні, а області протилежної провідності pnпереходів з'єднані електричними перемичками, забезпечують досягнення нового позитивного ефекту - точність вимірювання пристрою не залежить від полярності прикладеної напруги та збільшується перешкодозахищеність пристрою від впливу електричних перешкод. Фізична сутність досягнутого позитивного результату полягає в тому, що при різній полярності прикладеної зовнішньої напруги постійного струму один з pn-переходів виявляється прямо зміщеним (бо одна з р-областей одного з pn-переходів знаходиться під позитивним потенціалом, а відповідно до нього nобласть - під негативним потенціалом), а інший pnперехід виявляється зворотно зміщеним (бо р-область іншого pn-переходу знаходиться під негативним потенціалом, а відповідна до нього n-область - під позитивним). Оскільки при довільно прикладеній полярності напруги постійного струму опір зворотно зміщеного pn-переходу великий, а прямо зміщеного зт-переходу - малий, робочий струм пристрою відзначається малим опором прямо зсуненого pn-переходу. При зміні полярності прикладеної зовнішньої напруги в запропонованому пристрої завжди один з переходів є включеним в пропускному напрямку, а другий - в зворотному напрямку. Встановлено, що відмінні ознаки пристрою, який запропоновано, "концентрації акцепторних домішок в р-області та донорних домішок в n-області pn-переходів рівні, області протилежної провідності pn-переходів з'єднані електричними пере мичками" забезпечують постійність величини струму, який протікає, та постійність величини падіння напруги при різній фіксованій температурі при зміні полярності прикладеної напруги. В результаті вимірювання температури пристроєм, який пропонується, визначається температурною залежністю падіння напруги на зміщеному в пропускному напрямку pn-переході від температури. Таким чином, із збільшенням температури зменшується падіння напруги на pn-переході, і не залежить від полярності прикладеної до пристрою напруги постійного струму, і досягається новий позитивний ефект. Також встановлено, що відмінні ознаки пристрою, який запропоновано, "основа і кришка корпусу виготовлені з теплопровідного та електроізоляційного матеріалу, а чутливі елементи прикріплені до основи корпуса за допомогою теплопровідного пластичного і електроізоляційного клею" суттєві для вирішення поставленої задачі. Відмінні ознаки "основа і кришка корпусу виго товлені з теплопровідного та електроізоляційного матеріалу, а чутливі елементи прикріплені до основи корпусу за допомогою теплопровідного електроізоляційного клею" забезпечують рівність температури чутливих елементів pn-переходів, розташованих на основі всередині корпусу, а також електричну ізоляцію pn-переходів від контактної поверхні. Як наслідок, при зміні полярності прикладеної напруги не змінюється температура, яка вимірюється прямо зміщеним pn-переходом. Таким чином, в конструкції, яка пропонується, точність вимірювання температури не залежить від полярності прикладеної напруги, і, як наслідок, вирішується задача запропонованого пристрою. Ознака "чутливі елементи прикріплені до основи корпусу за допомогою теплопровідного пластичного та електроізоляційного клею" - суттєва для вирішення поставленої задачі, бо наявність пластичного клею на межі розділу чутливий pn-перехід виключає вплив температурних механічних напруг, викликаних відмінністю коефіцієнтів лінійного розширення матеріалу основи корпусу та pn-перехідів на залежність зміни падіння напруги прямо зміщеного pn-переходу від температури і, як наслідок, зберігається висока точність температури, яка вимірюється. Відзначимо також, що пристрій, який пропонується, в порівнянні з прототипом дозволяє підвищити перешкодозахищеність датчика температури. Дійсно, при впливі електричних перешкод підвищеної амплітуди, коли амплітуда електричної перешкоди перевищує напругу пробиття чутливого елементу зворотно зміщеного pn-переходу, в відомій конструкції прототипу є велика ймовірність електричного пробиття pn-переходу, що призводить прототип до втрати працездатності. Оскільки в пристрої, який запропоновано, при впливі електричних перешкод завжди один з pn-переходів знаходиться в прямому зміщенні по відношенню до будь-якої полярності зовнішньої прикладеної напруги, ймовірність руйнуючого електричного пробою ЧЕ, пов'язана з зворотним зміщенням pnпереходу при впливі електричної перешкоди, відсутня. Таким чином, пристрій, який запропоновано, дозволяє вирішити задачу підвищення захищеності від перешкод датчиків температури з pn-переходом. 2 31389 Приклад Наприклад, опишемо конструкцію запропонованого пристрою для вимірювання температури в діапазоні 4,2-500 К (фіг. 1). Пристрій вміщує (фіг. 2) один чутли вий pnперехід, який складається з р-області 1 та n-області 2, та другий чутливий pn-перехід, який складається з р-області 3 та n-області 4. Чутливі pn-переходи розміщені на основі 7 корпусу 8. Р-область 1 одного чутливого pn-переходу пов'язана електричною перемичкою з n-областю 6 другого чутливого pn-переходу. П-область 3 одного чутливого pn-переходу пов'язана електричною перемичкою з р-областю 5 другого чутливого pn-переходу 2. Чутливі pn-переходи представляють собою кремнієвий асиметричний різкий pn-перехід. Концентрація домішок бору в р-області 1 та 5 ~1020 см -3, фосфора в n-області 3 та 6 ~2×1018cм -3. Чутливі елементи розташовані на основі з теплопровідної та ізоляційної кераміки Аl2О3. Р-області 1 та 3 і n-області 2 та 4 мають виводи 10 та 11 з Аl. Чутливі pn-переходи знаходяться в тепловому та механічному контакті з основою корпусу за допомогою пластичного і електроізоляційного клею 9, виконаного з теплопровідної епоксидної смоли. Кришка корпусу 8 також виконана з кераміки Аl2О3. Як контакти та перемички використовують Аl. Габарити корпусу пристрою 2´2,5´2 мм 3. Робота пристрою відбувається таким чином. Спочатку до виводів 10-11 прикладають напругу позитивної полярності для першого чутливого pnпереходу і через прямо зміщений чутливий pnперехід пропускають робочий струм Іроб =10 мкА± ±0,05% в пропускному напрямку. Вимірюють падіння напруги на контактах 10 та 11 пристрою Uвим . При цьому другий чутливий pn-перехід є зворотно зміщеним, і через нього струм майже не протікає. Далі міняємо полярність прикладеної напруги так, що другий зміщений чутливий pn-перехід є прямо зміщеним, а перший чутливий pn-перехід зворотно зміщеним. І вимірюють величину напруги на контактах 10 та 11. За величиною Uвим та калібровочній кривій U(T), якій відповідає Іроб =10 мкА±0,05%, визначають температуру (фіг. 2). В таблиці представлені результати значень, які вимірювались Uвим , в залежності від температури в діапазоні 4,2-500 К та полярності прикладеної до пристрою постійної напруги. З представлених в таблиці даних видно, що точність вимірювання температури за допомогою запропонованого пристрою не залежить від полярності прикладеної напруги. Отримані результати свідчать, що запропонований пристрій підвищує точність вимірювання температури шляхом виключення впливу полярності прикладеної напруги на точність вимірювання температури, а також підвищує захи щеність пристрою від впливу електричних перешкод. Джерела інформації: 1 Rao M.G., Scurlock R.G., Wu Y.Y. Miniature silicon diode thermometers for cryogenics. Gryogenics, 1983, vol. 23, № 12, p. 635-638. 2. Swartz D.L., Swartz J.M. Diode and resistance cryogenic thermometry: A comparison. Gryogenics, 1974, vol. 14, № 2, p. 67-70. 3. Dodrill B.C., KrauseJ.K., Swinehart P.R., Wang V. Performance characteristics of silicon diode cryogenic temperature sensors. - Applications of Cryogenic Technology, 1991, vol. 10. 4. Temperature measurement and control. 1995, part 1 of 2. - Lake Shore Cryotronics, Inc., USA, 1995 – прототип. Таблиця № п/п Величина температури, яку вимірюють, К 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4,2 7 15 25 40 77 50 300 500 Величина падіння напруги на контактах пристрою при полярності прикладеної напруги: "+10", "-11", Вольт 1,0975599 1,0970544 1,0946115 1,0885655 1,0772101 1,0271666 0,8651152 0,4903451 0,013928 3 Величина падіння напруги на контактах пристрою при полярності прикладеної напруги: "-10", "+11", Вольт 1,0975598 1,0970542 1,0946113 1,0885654 1,0772104 1,0271668 0,8651155 0,4903450 0,013926 31389 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4