Датчик температуры с частотным выходом

Датчик температуры с частотным выходом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

1 )972258 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 12.08.80 (21) 2973410/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М, Кл,з

G 01 К 7/00

Государственный комитет (53) УДК 536.53 (088.8) Опубликовано 07.11.82. Бюллетень № 41

Дата опубликования описания 17.11.82 по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

« г

" "l. «1:;)Н .

Э .1 и "гз«-;, Ь (Н)ь.:..-, )

I 1. <,, t и!;,1

А. И. Дрожжин и A. П. Ермаков (71) Заявитель

Воронежский политехнический институт (54) ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Изобретение относится к термометрии.

Известен преобразователь температуры в частоту, содержащий генератор импульсов на тиристоре и терморезистор, включенный в цепь управляющего электрода тиристора f )) .

Однако такой преобразователь обладает су)цественным разбросом выходной характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик тем- 1О пературы с частотным выходом, содержащий термочувствительный элемент в виде однопереходного тра нзистора, выполненного на нитевидном кристалле полупроводника и включенного в схему релаксационного генератора 12).

Частота колебаний, генерируемых релаксационным генератором в таком датчике, определяется емкостью С и резистором R в цепи генератора, а также коэффициентом деления Г)

Р) ч= (1) где К, и R — сопротивления базы один и базы два однопереходного транзистора соответственно.

Период колебаний релаксационного генератора определяется соотношением

Т- R С 1п —,—,— (7) где (,)вк.) — напряжение включения однопереходного транзистора, определяемое через напряжение Е источника питания, коэффициент деления 1) и напряжение 111 на открытом эмиттерном переходе

1- вкл = Q E + 1- )) (3)

Основным недостатком датчика является малая чувствительность к изменению температуры, которая, как следует из приведенных выше соотношений, зависит от двух параметров — коэффициента деления q u напряжения V . Температурные уходы коэффициента г! из-за одинакового температурного коэффициента сопротивления (ТКС) баз (сопротивлений К1 и Ке) крайне малы и связаны в основном с неоднородностью материала по длине кристалла. Значение дЧ обычно не превышает 0,01%К . Температурный дрейф напряжения Uq также весь»а мал.

Цель изобретения — повышение чувствительности датчика.

972258

Поставленная цель достигается тем, что в датчике температуры с однопереходным транзистором, выполненным на нитевидном кристалле полупроводника и включенным в схему релаксационного генератора, нитевидный кристалл полупроводника жестко укреплен на подложке из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, граница раздела которых совпадает с областью эмиттера однопереходного транзистора.

При этом температурный коэффициент линейного расширения одного из материалов подложки больше, а другого меньше температурного коэффициента линейного расширения полупроводника.

Повышение чувствительности датчика обеспечивается путем изменения величины коэффициента 11 при изменении температуры, используя тензочувствительность нитевидного кристалла полупроводника.

На фиг. 1 представлен термочувствительный элемент датчика, вид сбоку; на фиг. 2— сечение А — А на фиг. 1; на фиг. 3 — схема релаксационного генератора.

Датчик температуры с частотным выходом содержит термочувствительный элемент в виде однопереходного транзистора I, выполненного на нитевидном кристалле 2 полупроводника (кремния р-типа с ориентацией оси роста (111) . К нитевидному кристаллу 2 изготавливают три точечных контакта 3 — 5 с присоединенными электродами для включения в электрическую цепь.

В средней части кристалла (точечный контакт 4) сформирован электронно-дырочный переход, образующий область эмиттера однопереходного транзистора 1, которая разделяет кристалл на два участка: база один 6 и база два 7 однопереходного транзистора. Омические точечные контакты 3 и 5 изготовляют точечной сваркой. Электронно-дырочный переход может быть сформирован одним из известных способов, например методом диффузии, вплавления и т. д.

Нитевидный кристалл 2 жестко укреплен на подложке 8 специальным клеем с большим коэффициентом передачи деформации, например, на основе стекол (ситаллы и другие) или керамик с последующим высокотемпературным отжигом.

Подложка 8 состоит из двух частей 9

:30 и 10, образованных материалами с различными температурными коэффициентами 50 линейного расширения (ТКЛР) . Граница

l I раздела материалов подложки 8 совпадает с местоположением среднего контакта 4, т. е. с областью эмиттера однопереходного транзистора 1. ТКЛР части 9 материала подложки 8 на максимально воз55 можную величину меньше ТКЛР кремния.

В качестве материала части 9 можно использовать, например, кварц, ТКЛР которого равен 0,585 10 6К, а ТКЛР кремния равен 2,33 10 6К . ТКЛР части 10 материала подложки 8 выбирается на максимально возможную величину больше ТКЛР кремния. Для части 10 можно использовать, напримеп, эбонит, ТКЛР которого равен

842 .10 К

Тыльной стороной подложки 8 датчик температуры клеем, с возможно меньшим коэффициентом передачи деформации, укрепляется на детали, температура которой подлежит контролю (не показано) .

Однопереходный транзистор 1 включен в схему релаксационного. генератора с резистором R (12) и конденсатором С (!3), период колебаний которого определяется соотношением (2) .

Датчик температуры работает следующим образом.

При изменении температуры на ЛТ сопротивление базы один изменяется на величину

ЛР,=С(т).(<,-K()) AT Я, К(т), (4) а сопротивление базы два изменяется на величину

4Rq С(Т) (42-

Сь (и с — температурные коэффициенты линейного расширения материалов подложки на участках 9 и 10 и нитевидного кристалла 2 соответственно;

R1 и Rz — сопротивления баз один и два, т. е. участков 6 и 7 монокристаллического полупроводника кремния;

К (Т) — коэффициент тензочувствительности нитевидного кристалла, зависящий от температуры.

Так как 1,(d,а Ыд )а то AR <ЬК .

Это ведет к такому изменению величины коэффициента 1, что изменение составляющей 11Е слагается с изменением U|I и ведет согласно (3) к значительному изменению напряжения включения Uz .

Период колебаний релаксационного генератора меняется в соответствии с изменением U > в зависимости от величины измеряемой температуры.

Т R-С In ——

i: -иди (6)

В предлагаемом датчике температуры изменение величины 1 с температурой достигает до 1,3о оК, что приводит к увеличению чувствительности более чем в 100 раз по сравнению с известным.

972258

Формула изобретения

Составитель В. Голубев

Редактор H. Кешеля Техред И. Верес Корректор Н. Король

Заказ 7880/28 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 I 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4

l. Датчик температуры с частотным выходом, содержащий термочувствительный элемент в виде однопереходного транзистора, выполненного на нитевидном кристалле полупроводника и включенного в схему рела ксационного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности датчика, нитевидный кристалл полупроводника жестко укреплен на подложке, выполненной из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, граница раздела которых совпадает с областью эмиттера однопереходного транзистора.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что температурный коэффициент линейного расширения одного из материалов подложки больше, а другого меньше температурного коэффициента линейного расширения полупроводника.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР № 723395, кл. Ci Ol К 7/14, 1976.

2. Ерофеева И. А. Импульсные устройства на однопереходных транзисторах. М., «Связь», 1974, с. 17 (прототип).