Теплоэлектронное устройство
Иллюстрации
Реферат
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ
<>801147 (б1) Дополнительиое к ввт. свид-ву(22) Заявлено 09,1078 (21) 2684769/24-21 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет—
Опубликовано 30.0181. Бюллетень Ио l4
Дата опубликования описания 300181 (51)М. Кл 3 . Н 01 L 23/56
Н 03. Ь 35/02
Государственный комитет
СССР
Il0 делам изобретений и открытий (53) УДК 621 ° 382 (088. 8) (72) Автор изобретения
Н.П.Гапоненко
Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова (71) Заявитель (54) ТЕПЛОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОИСТВО
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в микроэлектронных устройствах частной селекции .и в качестве времязадаюк1его элемента.
Известно теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее тело и расположенные на нем два источника. тепла, объединенные во вход,"ной электротепловой преобразователь, и два датчика температуры, объединенные в выходной теплоэлектрический преобразователь. Теплопроводящее тело устанавливается на теплоизолирующее основание.(1).
Недостаток устройства заключается в том, что его динамический диапазон при мощности, рассеиваемой в источниках тепла, 100 мВт не превышает 30"40 дВ.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является теплоэлектронное устройство, содержа щее теплопроводящее основание,расположенное на теплоиэолирующей подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры. Это теплоэлектронное. устройство за счет увеличения теплового сопротивления теплопро водящего тела и улучшения идентично-. сти параметров термочувствительных элементов позволяет уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить динамический диагазон до 40-50 дВ (2 ).
Однако дальнейшее расширение динамического диапазона ограничивается верхним пределом температурного диапазона работы полупроводниковых приборов и технологическими ограничениями на относительный разброс парамет15 ров датчиков температуры.
Цель изобретения — расширение динамического диагаэона.
Поставленная цель достигается за счет того, что в теплоэлектронное
20 устройство; содержащее теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолирующе11 подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух
25 источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, введены дополнительный электротегловой преобразователь, состоящий из
30 источников тепла, расположенных на
801147 теглопроводящем основании попарно симметричи друг относительно друга, и дополнительный теплоэлектрический преобразователь,двадатчика которого расположены симметрично датчикам выходного теплоэлектрического преобразоваиеля, а во входной электротепловой преобтель введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход дополнительног". электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя под.ключен ко входу входного электротеп-. лового преобразователя, при этом теплопроводящее основание выполнено в виде рамки.
На фиг. 1 показано теплоэлектронное устройство; на фиг. 2 — то же, разрез ; на фиг. 3 — схема включения преобразователей; на фиг. 4 — графики распределения пбстоянной составляющей 8<> и первой гармоники б температурного поля, создаваемого в теплопооводящем теле источниками тепла входного электротеплового преобразователя.
Теплоэлектронное устройство содержит теглолроводящее основание 1, размещенное на теплоизолирующей подложке 2. В теплопроввдящем основании размещены источники 3 — б тепла входного электротеплового преобразователя, источники 7 — 10 тепла дополнительного электротеплового преобразователя, датчики 11 и 12 темгератур..;.: выходного теплоэлектрического преобразователя и датчики 13 и 14 температуры дополнительного теплоэлектрического преобразователя. Источники 3 — б тепла входного электротеплового преобразователя располо жены на теплопроводящем основании симметрично друг относительно друга.
Источники 7 — 10 тепла дополнительного электротеплового преобразователя pRcTIAJlo êåíû на теплопроводящем основании симметрично относительно друг друга. Датчики 13 и 14 температуры дополнительного теплозлектрического преобразователя расположены симметрично датчикам 11 и 12 темпера туры теплоэлектрическо:о греобразователя. Источник 5 тепла управляется сигналом противоположной полярности по сравнению с источником 3 тепла, а полярность управляющего сигнала источника б тепла противопо. ложна полярности управляющего сигнала источника 4 тегла. В случае дифференциальных источников 3 и 4 тепла полярности управляющих сигналов источников 3 и б тепла совпадают, а полярность управляющих сигналов источников 4 и 5 тепла противоположна. Источники 3 — б тепла объединены во входной электротепловой преобразователь 15. Источ ники
7 — 10 тепла объединены в дополнитЕльный электротепловой преобразователь 16. Датчики 11 и 12 темгературы объединены в выходной теплоэлек.трический преобразователь 17, а датчики 13 и 14 температуры — в до° полнительный теплоэлектрический преобразователь 18. Выход 19 выходного теплоэлектрического преобразователя подключен ко входу дополнительного электротеплового преобразо-: вателя 16, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя
18 — ко входу входного электротепло— вого преобразователя 15. За счет раз, мещения источников тепла и датчиков температуры на одном теплопроводящем основании между преобразователями возникают тепловые связи 20 — 23.
2Q Входной сигнал подключается ко Входному зажиму 24 входного электротеплового преобразователя, выходной сигнал снимается с выхода 19 выходного теплоэлектрического греобразователя. д Координаты Х„ и Х2 соответствуют центрам источников 3 и 5 тепла или источников 6 и 4 тепла, Хз и Х4 центрам датчиков 11 и 13 температуры или датчиков 12 и 14 температуры, Х вЂ” осям симметрии теплопровсдящего основания. На кривой постоянной,составляющей температурного поля 9 началу оси ординат соответ-: ствует минимальное значение постоянной составляющей температуры вдоль теплопроводящего тела То. Распределение первой гармоники О темгературного поля соответствует нулевая температура в начале оси ординат.
При изменении входного сигнала мощ—
4О ность, рассеиваемая источниками тепла, содержит постоянную и пере менную составляющие. Постоянные составляющие рассеиваемой мощности всех источников тепла имеют один
4 знак, и при отсутствии теглоотвода от теплопроводящего тела составля1зщая температурного поля, соответствующая постоянной составляющей рассеиваемой мощности, одинакова в любой точке теплопроводялего тела. Однако наличие теглоотвода через изолирующее основание приводит к чекоторому снижению температуры вдали оТ источников тепла. первая гармоника переменной составляю 5 !qeA рассеиваемой мощности при противофазном изменении сигналов в источниках тепла имеет оставляющие разного знака. Если Источники тепла
3 — б входного электротеплового npegg образователя управляются в порядке очередности противофаз ными сигналамн,. то на осях симметрии теплопроводя:. его тела координаты Хо первая
-армоника температурного поля равна нулю, а в зонах между ними первая
801147 гармоника температурного поля поочередно меняет знак. Если координате У.„ источника 3 тепла соответствует положительное значение первой гармоники температурного поля ! то координате Х источника 5 тепла соответствует отрицательное значе5 ние первой гармоники температурного поля. При симметричном расположении датчиков темпе!;-. вы на теплопроводящем основании передаточные тепловые сопротивления от различных источников тепла входного электротеплового преобразователя к датчикам температуры выходного и дополнительного теплоэлектрических преобраэов Ъ телей, соответствующие постоянной 15 составляющей рассеиваемой мощности, в соответствии с распределением температурного поля вдоль теплопроводящего тепла имеют динаковый знак и равнь: между собой . Передаточные теп- 2() ловые сопротивления, соответствующие первой гармонике рассеиваемой мощности, равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки.
Аналогичными свойствами характеризуется температурное поле, создаваемое в теплопроводящем основании источниками тепла дополнительного электротеплового преобразователя, если источники тепла управляются противогазными сигналами. При син!!азном изменении сигналов в источниках тепла распределение первой гармоники температурного поля повторяет распределение постоянной составляющей температурного поля, и передаточные тепловые сопротивления, соответствую щие первой гармонике температурного поля, имеют одинаковый знак. В этом случае источники тепла дополнительного злектротеплового преобразовате- 4О ля могут быть попарно объединены и размещены симметрично относительно датчиков температуры на осях симметрии теплопроводящего основания.
При появлении на выходах теплоэлектрических преобразователей 17 и
18 постоянной составляющей напряжения, обусловленной изменением температуры окружающей среды, во входном 15 и дополнительном 16 электротепловых преобразователях изменяется уровень постоянной составляющей рас-. сеиваемой мощности. Через тепловые связи 20 - 23 тепловой сигнал поступает на входы теплоэлектрических преобразозателей 17 и 18, вызывая 55 изменение сигнала на выходах этих преобразователей. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры окружаю!.,ей среды, может быть определено с помощью со- б() отношения "abide(") " "в(" < ("аво вР s ). б5 (2) етстуюкоторое обеспечивается соответ щим выбором параметров преобр азоваПри изменении амплитуды входного сигнала в в а в злектротеплових преобраз ателях происходит изменение поса в отоянной с оставляю!.!еи рассеиваемой мощности, вызывающее через тепловые связи изменения выходного напряже- ния теплоэлектронного устройства.
Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением постоянной составляющей мощности источников тепла, входного злектротеплового преобразователя может быть определено с помощью выражения
"вы„(o) во в вво à(во Аво+ в в!)) (3) А ASo i Bo вво в вв1!) A где P постоянная составляющая мощности входного электротеплового преобразователя.
При равенстве передаточных теплои вы пол. вых сопротивлений К ои К нении условия (2) приращение выходных напряжений (1) и (3) равны нулю, где.аТс- приращение температуры окру и жакицей среды; чувствительности входного и дополнительн го теплоэлектРических преобразователей °
Вв" 8! ко фФициенты преобразования входного сигнала в постоянную и первую гармонику мощности.
R u R дв, Ь"ередаточные тепловые со
У
Д противления тепловой связи
21 к дополнительному теплоэлектрическому преобразователю от входного электротеплового реобразователя для постоянной составляющей и первой, гармоники рассеиваемой мощности;
1 и R -передаточные тепловые сопротивления тепловой связи
20!
0 от входного злектротеплового к выходному теплоэлектрическому преобразователю для постоянной составляющей и первой гармоннки рассеиваемой мощности;
А определитель структурной схемы теплоэлектронного устройства.
В связи с равенством передаточных тепловых сопротивлений Р и я в ротивоположними знаками пе е. и п ин во и даточних х тепловых сопротивлений R ми пере.
Вв у о ие исключения изменений ин выходного напряжения может бить записано в виде
801147
Аналогичный вид..имеет выражение для выходного напряжения, нозникаклце
ro под действием постоянной составляющей мощности, рассеиваемой н источниках тепла дополнительного электротеплового преобразователя.
Кроме выполнения условия (2) для равенства нулю выходного напряжения требуется равенстно передаточных тепловых сопротинлений для постоянной " îñòàâëÿþùåé,мощности от источников тепла преобразователя к датчикам температуры выходного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей, которое обеспечивается симметричным расположением источников относительно датчиков.
Динамический диапазон таких уст ройство определяется не дрейфом напря жений под воздействием температуры окружающей среды и изменения постоянной составляющей рассеиваемой
;„ощности, а уровнем шумов электротепловых и теплоэлектрических преобразователей.
При практической реализации теплоэлектронных устройств условие (2) выполняется с определенной точностью, определяющей возможность расширения динамического,.;;апазона теплоэлектронных устройств. Выполнение условий (2) с точностью 10%, которая может быть достигнута при микроэлектронном изготовлении .теплоэлектронных устройств, динамический диапазон теплоэлектронного устройства расширяется на 20 дБ по сравнению с известными устройства и и может достигать 60 — 70 дБ. увеличение точности выполнения условий подавления возмущающего воздействия до 1%, которая может быть получена при подстройке параметров преобразователей, расширяет динамический диапазон etqe на
20 дБ.
Формула изобретения
Теплоэлектронное устройство, содержащее теплопронодящее основание, расположенное на теплоизолирующей подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона, н него введены дополнительный электротепловой преобразователь, состоящий из источников тепла, расположенных на теплопроводящем основании попарно симметрично друг относительно друга и дополнительный теплоэлектрический преобразователь, два датчика которого расположены симметрично датчи ф кам выходного теплоэлектрическохо преобразователя, а но входной элек тротеплоной преобразователь введены дна дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем 5 основании симметРично основным, причем вход дополнительного электротеплоного преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического перобразователя подключен ко входу входного электротеплового преобразователя, при этом теплопроводящее основание выполнено в виде рамки.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Gray Р.R.,Íomi!ton D Т,Апа1isis
of Electrothermal Integrated Circuits, ДEEE, 3. SoC id-State Сircuits, ч.s.ñ-6, Р 1, 1971, р. 8-14.
40 2. Авторское свидетельство СССР
У 5б6987, кл. Н 01 Ь 38/02, 1977 (прототип, 801147
iPgt. 2
1е
21 го
19 в, Составитель Е. Гаврилова
Редактор Л. Пчелинская Техред р Ковалева Корректор О.Билак
Заказ 10445/73 Тираж 795 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4