Способ определения температуры и датчик для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения температуры. Способ определения температуры заключается в том, что полупроводниковый термочувствительный элемент в режиме контактного истощения эксклюзией помещают в неоднородное электрическое поле с градиентом напряженности, перпендикулярным линиям тока и монотонновозрастающим к грани, приводимой в контакт с измеряемым объектом. Используя зависимость напряжения пробоя антизапорного контакта от температуры, по градуировочной кривой определяют температуру объекта. Повышение точности измерения температуры достигается за счет использования сильной зависимости напряжения пробоя от температуры. Датчик для осуществления способа выполнен из полупроводника собственной проводимости длиной, большей диффузионной длины носителей заряда, в виде пластины со скошенным под углом α торцом, где 0*98A*98п/4. 2 C.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 К 7/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4624787/24-10 (22) 26.12.88 (46) 15.10.90. Бюл. № 38 (71) Рижский политехнический институт и Институт полупроводников AH УССР (72) В. К. Малютенко, А. П. Медведь, А. П. Кривич и С. А. Витусевич (53) 536.5 (088.8) (56) Заявка ЕПВ № 0111361, кл. G 01 К 7/22, опублик. 1984.

Шукшунов В. Е. Марсон А. В. Исследования термочувствительных элементов на базе полупроводниковых стабил итронов. Труды Новочеркасского политехнического института, 1968, т. 182, с. 96. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕ=

РАТУРЫ И ДАТЧИК ДЛЯ ЕГО ОСУШ ЕСТВЛ ЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения температуры. Способ определеИзобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано в различных областях науки и техники.

Цель изобретения является повышение точности определения температуры.

На фиг. 1 приведен датчик температуры, общий вид; на фиг. 2 — вольт-амперные характеристики датчика при различных величинах температур Т С: 1 — 0; 2 — 15;

3 — 29; 4 — 37; 5 — 44; 6 — 51; 7 — 59; 8 — 63;

9 — 76; 10 — 84; на фиг. 3 — зависимость напряжения пробоя от температуры.

Датчик содержит полупроводниковую структуру 1 P-типа с двумя контактами 2 и 3, выполненную в виде пластины со скошенным торцом 3, причем угол скоса торца выбирают из условия 0(а(- .

Способ осуществляется следующим образом.

При приложении к полупроводниковой структуре 1 напряжения отрицательной по„„80„„1599675 д 1

2 ния температуры заключается в том, что полупроводниковый термочувствительный элемент в режиме контактного истощения экскл юзией помещают в неоднородное электрическое поле с градиентом напряженности, перпендикулярным линиям тока и монотонновозрастающим к грани, приводимой в контакт с измеряемым объектом. Используя зависимость напряжения пробоя антизапорного контакта от температуры, по градуировочной кривой определяют температуру об.ьекта. Повышение точности измерения температуры достигается за счет использования сильной зависимости напряжения пробоя от температуры. Датчик для осуществления способа выполнен из полупроводника собственной проводимости длиной, большей диффузионной длины носителей заряда, в виде пластины со скошенным под углом а торцом, где 0(n(" 2 с.п. ф-лы

3 ил. Ф лярности происходит вытягивание собственных биполярных пар носителей заряда из объема п олуп ров одни к а под действ нем электрического поля (контактная эксклюзия).

Поле в пластине со скошенным торцом 3 распределено неоднородно, с градиентом напряженности, перпендикулярным линиям тока и монотонно возрастающим к меньшей боковой грани, приводимой в контакт с нагретым измеряемым объектом 4. При этом основная часть электрического напряжения падает в приконтактной области, вблизи тупого угла полупроводниковой структуры, в области наиболее сильного истощения полупроводника носителями заряда. На вольт-амперных характеристиках после небольшого начального линейного участка наблюдается сублинейный участок (см. фиг.

3). С ростом электрического поля наступает момент электрического пробоя p+p области полупроводника и сопротивление

1599675

20 Формула изобретения

50 полупроводника принимает свое первоначальное значение, в результате на вольтамперной характеристике появляется участок S-типа. Момент электрического пробоя зависит от высоты барьера р+-р и концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковой пластине. Используя зависимость собственной концентрации носителей заряда и высоты барьера от температуры можно по напряжению пробоя определить температуру полупроводника (фиг.

3).

Выполнение одного из контактов на скошенном торце позволяет точно задать место пробоя вблизи укороченной грани датчика в области E„ (фиг. 1).

Так как при эксклюзии вытягивание носителей происходит в условиях электронейтральности, то истощенная область может в несколько раз превышать диффузионную длину. 3то пробой наступает при больших напряжениях, чем напряжения соответствующие пробою обратносмещенного р-п-перехода. При этом расширяется диапазон напряжений пробоя, соответствующий тому же температурному диапазону, что и для обратносмещенного р-и-перехода. Следовательно, отклик на температурные изменения в р+-р- или n +nпереходе оказывается выше, чем р-п-диода, что повышается чувствительность измерения температуры. Чувствительность в этом случае возврастает до. 500 мВ/град, а точность измерения температуры составляет величину +-0,002 С.

Пример. Для измерений температуры медного теплопровода, температура которого задавалась пропусканием тока через нихромовую проволоку, использовался P-германий с концентрацией легирующей примеси 2,7 ° 10" см . Образец вырезался в виде скошенного прямоугольника. Длины образца 1> и 1z составляли величину 0,45 и

0,30 см соответственно, а поперечное сечение — 0,3)<0,4 см . Образец травился в кипящей перекиси водорода, что обеспечивало минимальную величину скорости поверхностной рекомбинации — 100 см/с.

Затем в вакууме при 600 С вплавлялись в торцы индиевые антизапорные контакты. После напайки проволочных контактов вся структура снова травилась в кипящей перекиси Н О . Датчик закреплялся клеем БФ на медном теплопроводе, рядом располагалась медf>-константановая термопара для контроля температуры. На образец подавались прямоугольные импульсы напряжения такой полярности, чтобы минус напряжения прикладывался на скошенный р+ торец. С помощью стробоскопического осциллогр аф а С7 — 12 з an исыв ал ись вол ьтамперные характеристики (ВАХ) датчика при различных температурах. На фиг. 2 представлена серия В АХ, записанных при плавном повышении температуры. Видно, что по мере возрастания температуры, напряжения пробоя смещается в область более низких напряжений, в противоположность обратной возрастающей зависимости для р-п-перехода.

Предлагаемый способ измерения температуры и датчик для его осуществления может найти практическое применение в системах автоматического поддержания строго определенной температуры, Небольшое изменение температуры мгновенно вызывает пробой р+р-перехода, на резко изменяющийся в к в цепи тут же реагирует система, которая, в свою очередь, подключает систему охлаждения или стабилизации температуры. При этом необходимый температурный режим (так называемая рабочая точка) выбирается задаваемым напряжением, приложенным к датчику.

1. Способ определения температуры, заключающийся в измерении напряжения пробоя полупроводникового термочувствительного элемента, находящегося в режиме контактного истощения носителями тока, и определения температуры по величине напряжения пробоя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, полупроводниковый термочувствительный элемент помещают в неоднородное электрическое поле с градиентом напряженности, перпендикулярным линиям тока и монотонно возрастающим к грани полупроводникового термочувствительного элемента, приводимой в контакт с измеряемым объектом, а контактное истощение полупроводникового термочувствительного элемента проводят эксклюзией.

2. Датчик для определения температуры, содержащий полупроводниковый термочувствительный элемент с двумя контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в нем полупроводниковый термочувствительный элемент выполнен в виде пластины собственной проводимости длиной, большей диффузионной длины носителей заряда, со скошенным торцом, на котором размещен один из контактов, причем угол а скоса торца выбран в соответствии с ссютношением 0(a(— —.

1599675

ФЫ2 2

1599675

7, C

100

Составитель В. Голубев

Редактор М. Недолуженко Техред А. Кравчук Корректор Л. Патай

Заказ 3135 Типаж 511 Подписное

ВНИИПИ ГосударствеHIIofo комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ! 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101