Процес визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу

Реферат: UA 78592 U UA 78592 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель стосується галузі вимірювальної техніки і знайде застосування у виробництві напівпровідників, наприклад, для контролю якості термоелектричних матеріалів. Вона призначена для вимірювання теплопровідності матеріалу в широкому температурному інтервалі. Відомі процеси вимірювання теплопровідності матеріалів, засновані на абсолютному методі, які широко вживаються у лабораторній та виробничій практиці [1-3]. З існуючих аналогів найбільш близьким по технічній суті є процес вимірювання теплопровідності напівпровідникових матеріалів абсолютним методом, описаним в роботі [4]. Він полягає в наступному. Досліджуваний зразок матеріалу відомих геометричних розмірів розміщують у вимірювальному термостаті, включають резистивний нагрівник для створення градієнту температури вздовж зразка, чекають поки вимірювальна система вийде в стаціонарний режим та вимірюють електричну потужність нагрівника і перепад температур на зразку. Значення теплопровідності зразка матеріалу знаходять за формулою: Q l , (1)  T S де: Q - потужність нагрівника зразка, T - перепад температури на зразку, l - відстань між термопарами, S - площа поперечного перерізу зразка. Однак швидкодія такого процесу вимірювання є недостатньо високою, що пов'язано в першу чергу з тим, що для використання формули (1) для визначення теплопровідності матеріалу необхідним є встановлення стаціонарних умов експерименту. Так, наприклад, для зразків діаметром 8 мм і довжиною 12 мм процес вимірювань теплопровідності при одному значенні температури вимірювального термостату вимагає до двох годин часу, а вимірювання температурних залежностей такого зразка - 1-2 доби. Для зразків більших розмірів, наприклад зразків термоелектричного матеріалу на основі Ві-Те діаметром 25 та довжиною 60 мм, що є частинами стрижнів характерними для процесу виготовлення термоелектричних перетворювачів енергії розмірів, час, потрібний на вимірювання температурної залежності теплопровідності одного зразка, буде в 4-5 разів більшим. Така швидкодія вимірювань є недостатньою і потребує підвищення. Тому актуальним є завдання створення процесу вимірювання теплопровідності напівпровідникових матеріалів, що дає можливість підвищити швидкодію вимірювань. Вказане завдання розв'язується тим, що в процесі визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу під час виходу вимірювальної системи в стаціонарний режим тимчасово через досліджуваний зразок пропускають змінний струм, крім того в початковий момент після включення нагрівника його потужність на деякий час роблять вищою ніж необхідна для створення заданого перепаду температур на зразку після виходу в стаціонарний режим. Відповідність критерію "новизна" запропонованій корисній моделі забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для процесу визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу, яке полягає у тому, що під час виходу вимірювальної системи в стаціонарний режим тимчасово через досліджуваний зразок пропускають змінний струм, крім того в початковий момент після включення нагрівника його потужність на деякий час роблять вищою, ніж необхідна для створення заданого перепаду температур на зразку після виходу в стаціонарний режим. Тому сукупність ознак, яка не зустрічається ні в одному з існуючих аналогів - що в процесі визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу під час виходу вимірювальної системи в стаціонарний режим тимчасово через досліджуваний зразок пропускають змінний струм, крім того в початковий момент після включення нагрівника його потужність на деякий час роблять вищою, ніж необхідна для створення заданого перепаду температур на зразку після виходу в стаціонарний режим - забезпечує заявленому способу необхідний "винахідницький рівень". Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, її реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. Запропонований процес визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу проходить наступним чином. Досліджуваний зразок напівпровідникового матеріалу відомих геометричних розмірів розміщуються у вимірювальному термостаті. Після цього включають резистивний нагрівник зразка та і тимчасово пропускають змінний струм через зразок. Тепло Джоуля, яке виділяється при цьому в об'ємі зразка сприяє швидшому розігріву його центральної частини, що сприяє підвищенню швидкодії вимірювань за рахунок пришвидшення процесу виходу системи в стаціонарний режим. Після виходу в стаціонарний режим і встановлення 1 UA 78592 U 5 10 15 20 25 30 35 40 незмінного в часі та лінійного градієнту температури вздовж зразка вимірюють потужність нагрівника і перепад температури на зразку та знаходять значення теплопровідності матеріалу за формулою (1). Як свідчать результати комп'ютерного моделювання процесу встановлення стаціонарних умов в досліджуваному зразку, такий процес дозволяє підвищити швидкість встановлення стаціонарного режиму у 3-5 разів. Для подальшого підвищення швидкодії вимірювань в початковий момент після включення нагрівника його потужність на деякий час роблять вищою ніж необхідна для створення заданого перепаду температур на зразку після виходу в стаціонарний режим. Комбінування надлишкової потужності нагрівника в початковий момент нагріву зразка та пропускання через зразок змінного струму дозволяє підвищити швидкість встановлення стаціонарних умов до 10 разів. Отже, застосування запропонованого процесу дозволяє значно підвищити швидкодію вимірювань і, таким чином, за прийнятний час отримувати повну інформацію про температурні залежності теплопровідності матеріалу, покращити стан метрології, зокрема контролю якості матеріалів в галузі термоелектрики, та при цьому збільшити відсоток виходу придатної продукції при одночасному покращенні її якості. Джерела інформації: 1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. - К.: Наук, думка, 1978.768 с. 2. Anatychuk L.I., Pervozvansky S.V., Razinkov V.V. Precise measurement of cooling th thermoelectric material parameters: methods, arrangements and procedures. Proc. of the 12 Intern, conf. thermoelectrics. Japan, 1993, p.p. 553-564. 3. Пристрій для визначення електропровідності, теплопровідності та термоЕРС термоелектричних матеріалів. Дек. патент на корисну модель № 71614. МПК (2012.01) G01R27/00 / Анатичук Л.І., Лисько В.В. Опубл. 25.07.2012, Бюл № 14. Заявка № u201113846 від 24.11.2011. 4. Анатичук Л.І., Гаврилюк М.В., Лисько В.В. Установка для вимірювання властивостей напівпровідникового термоелектричного матеріалу. Термоелектрика. - 2010, № 3. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Процес визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу, який складається з розміщення досліджуваного зразка відомих геометричних розмірів у вимірювальному термостаті, включення резистивного нагрівника для створення градієнту температури вздовж зразка, виходу вимірювальної системи в стаціонарний режим та вимірювання електричної потужності нагрівника і перепаду температур на зразку, який відрізняється тим, що під час виходу вимірювальної системи в стаціонарний режим тимчасово через досліджуваний зразок пропускають змінний струм. 2. Процес визначення теплопровідності напівпровідникового матеріалу за п. 1, який відрізняється тим, що в початковий момент після включення нагрівника його потужність на деякий час роблять вищою, ніж необхідна для створення заданого перепаду температур на зразку після виходу в стаціонарний режим. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2