Датчик температуры

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTHA (21) 3751530/24-10 (22) 01.06.84 (46) 30.11.85. Бюл. N - 44 (71) Институт полупроводников йН УССР (72) С. С. Болгов, В. В. Вайнберг, Л. И. Зарубин, В. К. Малютенко и Е. И. Яблоновский (53) 536.531(088.8) (56) Заявка Франции У 2467395., кл. G 01 К П /20, 1981.

Болгов С.С., Малютенко В. К., Пипа В. И. Отрицательная люминесценция в полупроводниках. — Письмо в ЖТФ. Т. 5, вып. 23, 1979, с. 14441447.

„„SU„„1195197 А

yi) 4 G Ol К 11/20 (54) (57) .1 ° ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, со держащий полупроводниковый термочувствительный элемент с биполярной проводимостью, выполненный в форме пластины с. асимметрично обработан-. ными широкими гранями, два омических контакта, размещенные на противоположных торцах пластины, и магнит, между полюсами которого расположена пластина, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в него введен отреза- ющий коротковолновую часть спектра светофильтр, отделенный от термочувствительного элемента слоем прозрачного диэлектрика, при этом пластина, диэлектрик и светофильтр находятся в тепловом контакте.

1.195197 а материал светофильтра удовлетворяет условию где Т

E (о)в 1,2

0(1,2

2. Датчик по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что светофильтр выполнен из полупроводника с .положительным коэффициентом ширины запрещЕнной зоны, а термочувствитель ный элемент выполнен из полупроводника с отрицательным коэффициентом ширины запрещенной зоны.

3, Датчик по и. 2, о т л и ч а юшийся тем, .что материал термочувствительного элемента и его толщина удовлетворяют условию с< d(с

1 . 1

1 2 где d — толщина термочувствительного элемента; — коэффициент поглощения в области собственного поглощения;

k — коэффициент поглощения за краем собственного поглощения, нижняя граница заданного диапазона измеряемых температур, ширина запрещенной зоны при отрицательном коэффициенте материалов термочувствительного элемента и светофильтра соответственно; . коэффициент температурного расширения ширины запрещенной зоны материалов термочувствительного элемента и светофильтра соответственно °

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в электроэнергетике,, Зк I спериментальной физике и криоэнерге-. тике для измерения и контроля тем пературы объектов, находящихся в. зоне действия сильных магнитных и электромагнитных полей, когда использование обычно применяемых средств, например термопар ити термосопротивлений, сопряжено со значительными трудностями из-за высокого уровня электромагнитных помех.

Целью изобретения является повышение термочувствительности датчика в заданном диапазоне температур при сохранении высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам .и использовании оптического канала вывода информации.

На фиг. 1 дано схематическое изображение устройства; на фиг. 2— спектральное распределение отрицательной люминесценции датчика при различных температурах (7 соответствует 330 К, 8 — 350 K) на фиг. 3температурные зависимости чувствительности различных датчиков, где

9 †. абсолютно черное тело, 10— термочувствительного элемента без фильтра, 11, 12 и 13 — предлагаемого датчика.

Устройство (фиг. 1) содержит тер- . мочувствительный .элемент. 2 из полу,проводниковой пластины с бицолярной проводимостью, асимметрично обработанными широкими гранями, двумя омическими контактами 5, светофильтр

4, отделенный от термочувствительного элемента слоем прозрачного диэлектрика 3. Датчик расположен в магнитном поле, созданном магнитом

6, и находится в тепловом контакте

11 с исследуемым объектом 1, температура которого определяется., Датчик работает следующим образом..

В отсутствие внешних полей (либо о одного из них) из термочувствительного элемента через его верхнющ грань, имеющую малую скорость поверхностной рекомбинации, выходит равновесный поток излучения Ро, Прн включении электрического (1:) и магнитного (Н) полей в таком направлении, чтобы под действием силы Лоренца электронно-дырочные пары дрейфовали к задней грани, имеющей боль! 195197 шую скорость поверхностной рекомбинации, происходит перераспределение носителей заряда по толшине пластины..При этом концентрация носителей вблизи верхней грани значительно 5 уменьшаетСя и становится ниже равновесного значения и . При достаточно высоких значениях полей Е и В происходит сильное истощение полупроводника и в области верхней грани, с 10 которой наблюдается излучение, пр (а и . При этом излучение полупроводника уменьшается по отношению к равновесному значению, в пределе стремясь к нулю, 2;е. максимальная 15 глубина модуляции равна равновесному излучению полупроводника I DP)-=P .

Величина Р зависит от температуры, задаваемой температурой исследуемого, объекта, с крторым термочувствитель- . gp ный элемент и фильтр находятся в тепловом контакте., Тем самым в рабочем режиме достигается независимость показаний от электрических и магнитных полей. . 25

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать для увеличения термочувствительности эффект изменения с температурой ширины спектрального диапазона наблюдаемого

30 сигнала отрицательной люминесценции. Для этого материал термочувствительного элемента выбирается таким, чтобы = — — > C 0. Тогда при

ЙЕк

dT 35 повышении температуры длинноволновой край отрицательной люминесценции сдвигается в область больших длин волн. Существенный рост термочувствительности имеет. место, когда 40 наблюдаемая спектральная полоса излучения сравнима с ее температурным . уширением. Это достигается введением .светофильтра, отрезающего коротковолновую часть спектра, иэ мате- 45 риала coLg70. Таким образом, при повышении температуры наблюдается существенное изменение ширины спект- . рального диапазона полезного сигнала за счет температурного движения 50 в,разные стороны длинноволновых границ спектра отрицательной люминесценции и поглощения светофильтра.

Отсечение светофильтром коротковолновой части излучения усиливает эф- 55 фект увеличения термочувствительности датчика за счет изменения с температурой ширины спектрального диапазона наблюдаемого сигнала отрицатель- ной люминесценции.

Подбором материалов термочувствительного элемента с Е „(Т) Е „(О)-I@„P и светофильтра. с Е© (Т) Е (0)+ЫТ

Ф2 Са можно задавать темйературйый диапазон повышенной чувствительности, низкотемпературная граница которого определяется по формуле

EЯ1 1(0) Е 2 (0)

11 1+ 2

Это условие следует из равенетва

Е „(T )=F: (Т ) . .При Т (Т светофильтр стайовится полностью непрозрачным для междузонного излучения термочувствительного элемента.

Чтобы описанный принцип повышения чувствительности работал, необходимо наличие явно выраженной длинноволновой границы спектра отрицательной люминесценции.

Как показали исследования, модуляция равновесного излучения наблюдается не только в области междузонных переходов, но и за краем собственного поглощения на внутризонных переходах. Величина равновесного излучения существенным образом saвисит от толщины кристалла и коэффициента поглощения. В оптически толстых кристаллах, когда k<

I всех рассматриваемых частотах больше единицы, интенсивность равновесного излучения не зависит от толщины кристалла и его сплошной спектр будет определяться формулой Планка.

При этом край собственного поглощения не проявляется и спектр наблюдаемого излучения не отличается от излучения черного тела с поправкой на коэффициент серости. При этом термочувствительность такого датчика практически не будет отличаться от чувствительности металлической пластинки или прототипа. Иначе обстоит дело, если выполняется условие

1 1 — (àd <с так как в этом слуk1 k2. чае в области междуэонных переходов пластина будет оптически толстой:

k d » 1, а в области частот за краем

1 собственного поглощения оптически тонкой: k d C< I При таком соотноше2. нин наблюдается резкий скачок интенсивности отрицательной люминесценции на краю собственного поглощения, который сдвигается при изменении температуры.

95197 Ф (с

Ь

f hc гуд (г) 7;if

Заказ 7407/46 Тираж 896 Подписное

В1 ИИПИ филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

11

Согласно фиг. 2, заштрихованный участок под кривой 8 соответствует мощности излучения датчика при температуре Т, двойной штриховкой показана мощность излучения при Тl(T2

При этом, видно, что увеличение спектральной мощности излучения (по оси ординат) .,сопровождается расшиЯ руниЕФ."*.<М@к1Ра излучения (по оси абсцисс). ,:ффластью повышенной термочувствителъйости (фиг. 3 ) является вся область Т ) Т ° Если же есть .необ-ходимость в особо точных измерениях, то материал фильтра подбирают так, чтобы Т была низкой к контролируемой температуре Т.

Пример 1 . Термочувствительный элемент выполнен из I> Sb имеющего отрицательный температурный коэффициент ширины запрещенной зоны (el I=3-10 . эВ/К. В качестве светофильтра выбран Cd„Hp., „Те с х=0,23, имеющего положительный коэффициент ширины запрещенной зоны с г =3,!

«10 " эВ/К. Термочувствительный элемейт выполнен в виде пластины с размерами 0,5 х 0,5 х 0,001 см .. Иссле3 дование спектра люминесценции по казало наличие резкого скачка интенсивности излучения при переходе длинноволнового края собственного поглощения. Толщина светофильтра составляла 0,003 см, что обеспечивало хорошее пропускание за краем собственного поглощения и практичесЬ ки полную непрозрачность в обла ..ти коротких длин волн.

Диэлектриком служил тонкий слой анодного окисла, выращенного на по5 ве хности термочувствительного элемента. Анодное окисление поверхности обеспечивало малую скорость поверхностной рекомбинации (порядка

10 см/с ) на грани, с которой наtp блюдается люминесценция. Противоположная широкая грань термочувствительного элемента предварительно шлифовалась на мелком абразивном ,порошке, что обеспечивало большую скорость поверхностной рекомбинации порядка !О см/с.

Диэлектрическая окисная пленка на поверхности термочувствителЬного элемента изолировала,его от светофильтра и защищала поверхность InSb от химического воздействия прозрачного в ИК-области клея, соединяющего термочувствительный элемент и светофильтр и обеспечивающего тепловой

25 контакт.

Для механической прочности датчик монтировался на теплопроводящей . подложке и устанавливался на поверхность объекта, температура которого

Зо определялась. Магнитное поле H=5 кГс создавалось постоянными магнитами из кобальтового сплава. Сигнал люминес. ценции фиксировался фотоприемником и поступал на отградуированное индикаторное устройство, по показаниям 35 которого определялась температ ура исследуемого объекта.