Теплоэлектронное устройство
Иллюстрации
Реферат
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
<п1974464 л.
gl
//
/.(61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09. 11. 78 (21) 2684 769/18-21
f$g) + Кп 3 с присоединением заявки М9
Н 01 I., 35/02
Н 01 1. 23/56
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет ($$) УДК 621. 362 (088 ° 8) Опубликовано 151181. Бюллетень М42
Дата опубликования описания 15 ° 11 ° 82 (72) Автор изобретения
Н.П.Гапоненко
1 .т
Ф
Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова (71) Заявитель (54) ТЕПЛОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО
Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к устройствам, преобразующим тепловые сигналы °
Известно теплозлектронное устройство, содержащее теплопроводящее тело и расположенные на нем два источника тепла, объединенные во входной электротепловой преобразователь, и два дат- 10 чика температуры, объединенные в вы,ходной теплоэлектрический преобразователь, причем теплопроводящее тело установлено на теплоизолирующее основание (1).
Недостатком известного устройства. является малый динамический диапазон (30-40 дБ1 при достаточно большой мощности, рассеиваемой в источниках тепла — 100 мВт.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолирующей подложке, на котором рас- 25 положены входной электротвпловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры. 30
Данное устройство за счет увеличения теплового сопротивления теплопроводящего основания и повышения идентичности параметров термочувствительных элементов позволяет уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить динамический диапазон до 40-50 @S I 2).
Однако дальнейшее расширение динамического диапазона ограничено верхним пределом температурного диапазона работы полупроводниковых приборов и технологическими ограничениямиаíà оТносительный разброс параметров датчиков температуры.
Цель изобретения - повышение динамического диапазона работы теплоэлектронного устройства.
Указанная цель достигается тем, что в теплоэлектронное устройство, содержащее:теплопроводящее 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, введены дополнительный электротепловой преобразователь, два датчика которого расположены симметрично датчикам выходнс—. 974464 го теплоэлектрического преобразователя, а во входной электротепловой преобразователь введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход допол- 5 нительного электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя под- 10 ключен к входу входного электротеплового преобразователя..
На фиг. 1 показано предлагаемое теплоэлектронное устройство, вид сверху; на фиг. 2 — то же, вид сбо ку (разрез ; на фиг. 3 — схема вклю чения преобразователей; на фиг.4 графики распределения постоянной составляющей Ор и первой гармоники
9„ температурного поля, создаваемого в теплопроводящем теле источниками тепла входного электротеплового преобразователя.
Теплоэлектронное устройство содержит теплопроводящее оснозание 1,размещенное на теплоизолирующей подложке 2. В теплопроводящем основании 1 размещены источники 3-6 тепла, составляющие входной электротепловой преобразователь 7, источники 8-11 тепла, ЗО составляющие дополнительный электро- тепловой преобразователь 12, датчики
13 и 14 температуры, составляющие выходной теплоэлектрический преобразователь 15 и датчики 16 и 17 температуры, составляющие дополнительный теплоэлектрический преобразователь
18. Источники 3-6 тепла расположены симметоично друг относительно друга.
Источники 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 40
12 также расположены симметрично друг относительно друга. Датчики 16 и 17 температуры дополнительного теплоэлектрического преобразователя 18 расположены симметрично датчикам 13 45 и 14 температуры выходного теплоэлектрического преобразователя 15 ° Источник
5 тепла управляется сигналом противоположной полярности по сравнению с источником .3 тепла, а полярность 10 управляющего сигнала источника б тепла противоположна полярности управляющего сигнала источника 4 тепла.
В случае дифференциальных источников 3 и 4 тепла полярности управляю фих сигналов источников 3 и 6 тепла совпадают, а полярность управляющих .сигналов источников 4 и 5 тепла про тивоположна.
Выход 19 выходного теплоэлектри- 6О ческого преобразователя 15 подключен ко входу дополнительного электротеплового преобразователя 12,. а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя 18 подключен ко входу 65 входного электротеплового преобразователя 7.3а счет размещения всех источников 3-6 и 8-11 тепла и всех датчиков 13,14,16 и 17 температуры на одном теплопроводящем основании 1 между преобразователями 7,12,15 и 18 возникают тепловые связи 20-?3.Входной сигнал подается на вход 24 входного электротеплового преобразователя 7, а выходной сигнал снимается с выхода 19 выходного теплоэлектрического преобразователя 15.
На фиг. 4 координаты х.,и х2 соответствуют центрам источников 3 и 5 или источников б и 4 тепла.Координаты х> и х4 соответствуют центрам датчиков 13 и 16 температуры или датчикам 14 и 17 температуры. Координаты х соответствуют осям симметрии теплопроводящего основания 1. На кривой постоянной составляющей 90 температурного поля началу оси ординат соответствует минимальное значение температуры тс, вдоль теплопроводящего основания 1. Распределении первой гармоники G< температурного поля соответствует нулевая температура в на чале оси ординат.
Устройство работает следующим образом.
При изменении входного сигнала мощность, рассеиваемая источниками тепла, содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянные составляющие рассеиваемой мощности всех источников тепла имеют один знак.При отсутствии теплоотвода от теплопроводящего оснований 1 составляющая температурного поля, соответствующая постоянной составляющей рассеиваемой мощности, одинакова в любой точке теплопроводящего основания 1.Однако наличие теплоотвода через теплоизолирующую подложку 2 приводит к некоторому снижению температуры вдали от источников тепла. Первая гармоника переменной составляющей рассеиваемой мощности при противофазном изменении сигналов в источниках тепла имеет составляющие разного знака. Если источники 3, 5, б и 4 тепла входного электротеплового преобразователя 7 управляются в порядке очередности противофазными сигналами, то на осях симметрии теплопроводящего основания 1 координаты хо .первая гармоника 9 равна нулю, а в зонах между ними О„ поочередно меняет знак. Если координате х„ источника 3 тепла соответствует положительное значение 9„, то коодинате х, источника 5 тепла соответствует отрицательное значение Qq
При симметричном расположении датчиков 13, 14, 16 и 17 температуры на теплопроводящем основании 1 передаточные тепловые сопротивления от различных источников 3-6 тепла вход974464 ного электротеплового преобраз ователя 7 к датчикам 13, 14, 16 и 17 температуры выходного 15 и дополнительного 18 теплоэлектрических преобразователей, соответствующие постоянной составляющей рассеиваемой мощности, в соответствии с распределением температурного поля вдоль теплопроводящего основания 1 имеют одинаковый знак и равны между собой. Передаточные тепловые сопротивления,соответствующие первой гармонике рассеи ваемой мощности, равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки.
Аналогичными свойствами характеризуется температурное поле, создаваемое в теплопроводящем основании 1 источниками 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 12, если источники 8, 10, 9 и
11 тепла управляются противофазными сигналами. При синфазном измерении сигналов в источниках 8, 10, 9 и 11 тепла распределение первой гармоники
О„ температурного поля повторяет распределение постоянной составляющей Ор температурного поля, и передаточные тепловые сопротивления, соответствующие 9 имеют одинаковый знак. В этом случае источники 8, 9, 10 и 11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя могут . быть попарно объединены и размещены симметрично относительно датчиков
13, 14, 16 и 17 температуры на осях симметрии теплопроводящего основания 1.
При появлении на выходах теплоэлектрических преобразователей 15 и
18 постоянной составляющей напряжения, обусловленной изменением температуры окружающей среды, во входном электротепловом 7 и дополнительном
12 преобразователях изменяется уровень постоянной составляющей рассеиваемой мощности. Через тепловые связи 20-23 тепловой сигнал поступает на входы теплоэлектрических преобразователей 15 и 18, вызывая изме- . нение сигнала на выходах этих преобразователей. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры окружающей среды, может быть определено с помощью соотношения
50 где Р - постоянная coc"..авляющая мощности входного электро=еплового преобразователя.
При равенстве Квв и R в и выполнении условий (2) приращейие выходных напряжений (1) и (3) равны нулю.
Аналогичный вид имеет;выражение для выходного напряжения, возникающего под действием постоянной сос @ тавляющей мощности, рассеиваемой в источниках 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 12. Кроме выполнения условия (2) для равенства нулю выходного на6З пряжения требуется равенство переда a0>„„(Tc) = < 4Р 4 (Ie„k„h+4S<",Ав ) 1*Лво вво 1в вв,)) где Ь Т вЂ” приращение температуры окружающей среды; и - чувствительность входно» го и дополнительного теплоэлектрических преобразователей;
I u I - коэффициенты преобразования входного сигнала в постоянную и первую гармонику мощности;
R u R - передаточные тепловые
4 в 4ва сопротивления тепловой связи 21 для постоянной составляющей и первой гармоники рассеиваемой мощности; и R — передаточные тепловые сопротивления тепловой связи 20 для постоянной составляющей и первой гармоники рассеиваемой
15 мощности;
А — определитель структурной схемы теплоэлектронного устройства.
В связи с равенством передаточных
20 тепловых сопротивлений и в и и и противоположностью знаков передаточных тепловых сопротивлений К*в„
H Чвв, условие исключения изменений выходного напряжения может быть за25 писано в виде
2. т которое обеспечивается выбором пара30 метров преобразователей.
При измерении амплитуды входного сигнала в электротепловых преобразователях 7 и 12 происходит изменение постоянной составляющей рассеиваемой
З5 мощности, вызывающее через тепловые связи 20-23 изменения выходного напряжения теплоэлектронного устройства. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением постоянной составляющей мощности источников 3, 4, 5 и 6 тепла входного электротеплового преобразователя 7 может .быть определено с помощью выражения:
45 в |к< ) "жЬ1 вво " 1д(во дв,+ вР*в,) Р ВоРВо".В. В„ .В„) А" (,) 974464
1 точных тепловых сопротивлений для постоянной составляющей мощности от источников 3-6 и 8-11 тепла преобразователя к датчикнм температуры выходного 15 и дополнительного 18 теплоэлектрических преобразователей, которое обеспечивается симметричным расположением источников 3-6 и 8-11 тепла относительно датчиков 13, 14., 16 и 17. Динамический диапазон устройства определяется не дрейфом вы- 10 ходных напряжений под воздействием температуры окружающей среды и изменением постоянной составляющей рассеиваемой мощности, а уровнем шумов электротепловых и теплоэлектричес- )5 ких преобразователей.
Лри практической реализации предлагаемых теплоэлектронных устройств условие (2) выполняется с опреде; ленной точностью, определяющей возможность расширения динамического диапазона теплоэлектронных устройств..
Выполнение условий (2) с точностью
10% является реальным для микроэлект роники. Дйнамический диапазон устрой- ства расширяется на 20 дБ и достигает 60-70 дБ.
Увеличение точности выполнения условий (2) на 1Ъ за счет подстройки параметров расширяет динамический диапазон еще на 20 дБ.
Формула изобретения
Теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание, 1 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 ю щ е е с я тем, что, с целью повышения динамического диапазона, в него введены дополнительный электротепловой преобразователь, два датчика которого расположны симметрично датчикам выходного теплоэлектрического преобразователя, а во входной электротепловой преобразователь введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход дополнительного электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя подключен к входу входного электротеплового преобразователя. источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Gray P.R., Hamilton D.Т. Ana-.
lysis of Electrothermal Integrated
Circuits. IEEE J. Solid State Curcuits, vol $С-6, Р 1, 1971, р. 8-14.
2. Авторское свидетельство СССР
Р 568987, кл. Н 01 Ь 35/02, 1977 (прототип).
974464
21
20 уи7.3
Составитель Н. Трифонов
Редактор М. Келемеш Техред A.Áàáèíåö, Корректор Г. Огар
Заказ 8726/72 Тираж "l61 Подписное
BHHHIIH 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