Устройство для измерения температуры,напряженности магнитного поля и механи-ческих напряжений

Устройство для измерения температуры,напряженности магнитного поля и механи-ческих напряжений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Сееетских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВ ЕТИЛЬСТВУ (1853424 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 0410.78 (21) 2670567/18-10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 0708.81. Бюллетень № 29

Р )М. Кл.

G 01 К 7/00

G 01 В 7/16

G01,R 33/06

Госуяарствениый «оиитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 536 53 (088. 8) Дата опубликования описания 070881 (72) Автор изобретения

С.П.Логвиненко физико-технический институт низких температур

AH Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОИСТВО ДДЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАПРЯЖЕННОСТИ МАВНИТНОГО ПОЛЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ

НАПРЯЖЕНИИ

Изобретение относится к технике измерений и предназначено для локаль< ного измерения магнитного. поля, температуры и механических напряжений предпочтительно в области низких температур.

Известны устройства с первичными полупроводниковыйи преобразователями, позволяющими раздельно определять температуру t, напряженность магнитного поля Н и механические напряжения b, например полупроводниковый термометр, .выполненный íà основе полупроводникового элемента, на внешней поверхности которого сформирован защитный р-и-переход с двумя электрическими контактами j1) .

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения неэлектрических величин, содержащее первичные преобразователи на основе полупроводниковых чувствительных элементов, размещенные на упругом основаиии, источник питания, измерительную схему f2).

Это устройство позволяет измерять температуру и механические напряжения, однако не позволяет измерять напряженность магнитного поля.

Целью изобретения является локк . ное и одновременное измерение темпе. ратуры, напряженности магнитного поля и механических напряжений.

Поставленная цель достигается. тем, что в устройстве, содержащем первичный преобразователь на основе полупроводникового чувствительного

О элемента, размещенного на упругом основании, источник тока, измерительную схему, чувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой пластины с чередующимися по ее толщиФ не областями проводимости р, и и

15 р типа, причем верхняя область р-типа снабжена четырьмя крестообразно расположенными по краям пластины контактами, соединенными с измерительной схемой, а область пластины и-ти20 па снабжена одним контактом, который совместно с одним из контактов области р-типа соединен с источником тока.

На фиг. 1 представлен первичный преобразователь устройства; на фиг.

2 — то же, вид сверху.

В устройстве чувствительный элемент первичного преобразователя выполнен из полупроводниковой пластиньв

1, в которой сформированы области 2

ЗО н 3 с проводимостью р-типа н область

853424

4 с проводимостью и-типа. Полупроводниковая пластина 1 укреплена (пайкой или клеем) на упругом основании

5 иэ немагнитного металла или диэлектрика. Электрическая изоляция областей 2 и 4 пластины 1 от упругого ос1

-нования, при выполнении его из ме-..» талла, обеспечивается р-п-переходом,. образованным между областями 2 и 3 пластины 1. На внешней поверхности области 2, электрически изолированной от области 4 р-п-переходом, крестообразно расположено четыре контакта 6, 7, 8 и 9. Участок области 2, ограниченный контактами б, 7, 8 и 9, является областью, чувствительной к магнитному полю, приложенному перпендикулярно поверхности области 2 (контакты 7 и 9 являются потенциальными для измерения ЭДС Холла, а контакты б и 8 — токовыми). Участок области 2, ограниченный контактами б и 8, одновременно является резистором, чувствительным к механическим напряжениям, приложенным в плоскости упругого основания 5. Участок полупроводниковой пластины 1, заключенный. между контактом 8 области 2 и контактом 10 области 4, является термодиодом, чувствительным к температуре. К контактам б, 7, 8, 9 и 10 подсоединены электрические выводы 11. Полупроводниковая пластина 1 с контактами помещена в корпус 12 -из немагнитного материала и эагерметизирована в нем изолятором 13 иэ компаунда. Контактами. 6 и 10 чувствительный элемент подключен к источнику тока, а контакта- . ми б, 7, 8, 9 и 10 — к измерительной схеме. (Источник тока и измерительная схема на фиг. 1 не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Ток ат источника тока протекает по двум параллельным цепям: контакт

6, р-п-переход, образованный областями 2 и 4 пластины 1, контакт 10; контакт б, область 2 пластины 1, контакт S, входное сопротивление измерителя напряжения, подключенного к контактам 8 и 10, контакт 10. Измеритель напряжения входит в состав измерительной схемы. Соотношение между токами в указанных цепях будет определяться соотношением сопротивления р-и-перехода и входного сопротивления измерителя напряжения. Для эффективной совместной работы термодиода и измерителя напряженности магнитного поля это соотношение следует выбирать таким образом, чтобы ток первой цепи, т.е. ток термодиода, был в пределах (10-50) ° 10 е А. Протекание тока от контакта 6 к контакту 8 через область

2 вйэывает инжекцию носителей тока в эту область, имеющую малую толщину (2-5 мкм) и достаточно хорошо изолированную от области 4 р-п-переходом.

Прикладывание магнитного поля Н в плоскости, перпендикулярной области

2, приводит к появлению напряжения

Холла между контактами 7 и 9, пропорционального Н, U 9 (Н), вследствие повышения концентрации, например, 5 (электронов у контакта 7 и дырок — у ) контакта 9. Напряжение U> 9 (Н) регистрируется измерительной схемой.

Изменение температуры ведет к изменению тока через р-п-переход, образованный областями 2 и 4 пластины

1, а следовательно, к изменению напряжения между контактами 8 и 10, величина которого пропорциональна температуре 08- z (t )

Механические напряжения, приложенные в плоскости упругого основания

5, воздействуют на всю полупроводниковую пластину 1, в том числе и на ее область 2, сопротивление которой является функциейОэтих механических напряжений. Выбор укаэанной области в качестве тензорезистора обусловлен ее достаточно высоким сопротивлением в связи с тем, что она характеризуется малой толщиной (2 5 мкм) и наличием тока между контактами б и 8.

При изменении t, Н и Ъ в области размещения первичного преобразователя,напряжения 0 < (t), U7 9 (Н) и

U (Ь ) изменяются. На каждую чувствительную область первичного преобразователя, т.е. на термодиод, датчик магнитного поля и тензорезистор, одновременно воздействуют t, Н иЪ, что обуславливает магниторезистивную и тензорезистивную погрешность термодиода, температурную и тензорезистивную погрешности датчика магнитного поля и магниторезистивную и температурную погрешности тенэорезистора.

Учитывая суммарное воздействие t, Н

4О и Ъ на первичный преобразователь, его градуировку необходимо проводить при поочередном наложении t, Н и Ь, при постоянном значении питающего тока, используя в процессе градуировки функции Ue-s (Н) Uу-9 (Н) 0в- О(Н)

Up 8 (t) ф U1-9 (t); Ug ÃÎ(t) i НФ 9() i

U,, (Ь) и Ор „,(Э), которые хранятся в блоке памяти, входящем в состав измерительной схемы, для взаимной коррекции измеряемых напряжений, вычисления, индикации и регистрации измеряемых величин.

При выполнении чувствительного элемента из арсенида галлия (возможно использование и других полупровод-. никовых материалов) устройство обеспечивает: измерение температуры в интервале /1,5-,370/К, его чувствительность 2 мВ/град при постоянном смещении р-и-перехода в прямом направле

9) нии; измерение напряженности магнитного поля в диапазоне (О-;5)Т при тем пературе (1,5-, 77)К; измереэие механк ческих напряжений при температуре

/1,5-.300/К, dR 10 кг см.

Я КЬ

853424

Формула изобретения танк у р

ВНИИПИ Заказ 5621/14 Тираж 907 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная,4

Эти данные являются усредненными и могут отличаться для конкретных образцов в зависимости от использованного материала, способа крепления пластины 1 к основанию 5, площади и телщины области 2, величины питающего тока.

Устройство обеспечивает одновременное и локальное измерение температуры, напряженности магнитного по-. ля и механических напряжений при использовании одного источника тока, позволяет упростить монтаж первичного преобразователя, уменьшить поверхность объекта,. занятую первичными преобразователями., что особенно актуально при исследовании криогенных систем.

Устройство для измерения температуры, напряженности магнитного поля и механических напряжений, содержащее первичный преобразователь на основе полупроводникового чувствительного элемента, размещенного на упругом основании, источник тока, измерительную схему, о т л и ч а ю щ е— е с я тем, что, с целью локального и одновременного измерения температуры, напряженности магнитного поля и механических напряжений, чувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой пластины с чередующимися по ее толщине областями проводимости р, и и р-типа, причем верхняя область р-типа снабжена четырьмя крестообразно расположенными по краям пластины контактами, соединенными с измерительной схемой, а об15 ласть пластины и-типа снабжена одним контактом, который совместно с одним из контактов области р-типа соединен с источником тока.

Источники информации, Щ принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 544281, кл. G 01 К 7/16, 19.08.75.

2. Авторское свидетельство СССР

В 536406, кл. G 01 К 7/08, 01.08.75 5 (прототип).