Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры при использовании в качестве термочувствительного элемента МДП-транзистора. При помощи регулируемых источников 1 и 2 постоянного напряжения задается рабочая точка МДП-транзистора 8. Генератор 3 синусоидального напряжения задает переменную составляющую тока стока , амплитуда которой на порядок меж ше, чем величина постоянной составляющей тока стока. Амплитуда переменной составляющей линейно зависит от температуры. Усилителем 11 переменного тока эта составляющая усиливается И подается на первый вход перемножителя 12, на второй вход которого от генератора 3 подается опорный сигнал. Выходной сигнал перемножителя 12 проходит через фильтр 13 нижних частот и отображается на вольтметре 14, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 К 7/OO

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ (21) 4749623/10 (22) 16.10.89 (46) 23.12.91. Бюл, М 47 (71) Московский инженерно-физический институт (72) P.À.Àðàçîâ, Б.И.Подлепецкий и С, В.Фоменко (53) 536.53(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 993042, кл. G 01 К 7/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

N 1198390, кл, G 01 К 7/00, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры при использовании в качестве

„, . Ж„„17GG391 Al термочувствительного элемента МДП-транзистора. При помощи регулируемых источников 1 и 2 постоянного напряжения задается рабочая точка МДП-транзистора 8.

Генератор 3 синусоидального напряжения задает переменную составляющую тока стока, амплитуда которой на порядок мен ше, чем величина постоянной составляь;щей тока стока, Амплитуда переменной составляющей линейно зависит от температуры.

Усилителем 11 переменного тока зта составляющая усиливается И подается на первый вход перемножителя 12, на второй вход которого от генератора 3 подается опорный сигнал. Выходной сигнал перемножителя 12 проходит через фильтр 13 нижних частот и отображается на вольтметре 14, 1 ил.

1700391

Изобретение относится к измерению температуры и наиболее эффективно может быть использовано для контроля температуры нагрева полупроводниковых кристаллов интегральных микросхем, изготовленных по МДП-технологии, а также для термокомпенсации полупроводниковых датчиков на основе МДП-структур.

Цель изобретения — повышение точности измерения в широком диапазоне температур, На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство для измерения температуры содержит первый 1 и второй 2 источники постоянного напряжения, генератор 3 синусоидального напряжения, резисторы 4 — 7, термочувствительный МДП-транзистор 8, операционные усилители 9 и 10, усилитель

11 переменного тока, перемножитель 12, фильтр 13 нижних частот и вольтметр 14.

Выход первого источника 1 постоянного напряжения подключен к стоку термочувствительного МДП-транзистора. Выводы второго источника 2 постоянного напряжения и генератора 3 синусоидального напряжения через второй 5 и третий 6 резисторы подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя 9, неинвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 10 и общей шиной устройства. Инвертирующий вход первого операционного усилителя 9 через четвертый резистор 7 соединен с выходом первого операционного усилителя и вторым выводом первого резистора 4, первый вывод которого подключен к выводам исток— подложка транзистора 8 и к инвертирующему входу второго операционного усилителя

10, выход которого соединен с выводом затвора МДП-транзистора и через усилитель

11 переменного тока — с первым входом перемножителя 12, второй вход которого соединен с выходом генератора 3 синусоидального напряжения. Выход перемножителя 12 через фильтр 13 нижних частот подключен к входу вольтметра 14, Устройство работает следующим образом.

Рабочая точка термочувствительного

МДП-транзистора 8 задается с помощью регулируемых источников 1 и 2 постоянного напряжения. Источником 2 задается ток стока, а источником 1 — напряжение на стоке МДП-транзистора, причем рабочая точка выбирается в пологой области вольтамперных характеристик транзистора 8. В этом случае выра;кение для тока стока имеет вид

Ic — (0з Uò ) (1) где! — ток стока; U4 — напряжение на затворе; От* — пороговое напряжение МДП-тран5 - CpW зистора; Ь = удельная крутизна;

Р â€”; Cp— удельная емкость диэлектрика; и W — длина и ширина канала транзистора.

10 Так как в. предлагаемой схеме ток стока и напряжение на стоке задаются, выражение (1) перепишем в виде

U 2Ic +U* (2) — О" +2@ + где От*=

Л<рк — разность работ выхода электрона;

Qsз — заряд на границе раздела полупроводник-диэлектрик;

KT NA

pF = . In q — заряд электрона; К—

g nt постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура; NA — концентрация примеси в подложке; п — концентрация носителей в собственном кремнии; яо — электрическая постоянная; est — диэлектрическая проницаемость кремния.

При изменениях температуры меняют35 ся параметры Ь и 0т* ьm= V;m, з) где T, —; Np — подвижность электронов при температуре Тр, 40 * дИ

От (Tp+ A1) = Ит (То) + AT, (4) дТ д ь где — температурная чувствител ьность порогового напряжения, которую можно определить из номограмм, зная удельное сопротивление кремниевой подложки и толщину диэлектрика.

Генератор 3 задает переменную состав50 ляющую тока стока, амплитуда которой должна быть по крайней мере на порядок меньше, чем величина постоянной составляющей тока стока. Частоту переменного сигнала необходимо выбирать, чтобы обратная связь без искажений успевала отслежи-, вать изменения тока стока (например, 100 — 1000 Гц), а также не оказывала влияния на выходной сигнал.

Переменную составляющую можно получить, продифференцировав».ыражение (2):

1700391

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный эле5 мент. выполненный в виде

МДП-транзистора, вывод подложки которого соединен с выводом истока и первым выводом первого резистора, вывод стока подключен к первому источнику постоянно10 ro напряжения, второй, третий и четвертый резисторы и вольтметр, о т л и ч а ю щ е е ся тем, что, с целью повышения точности измерения в широком диапазоне температур, в-pего введены второй источник посто15 янного напряжения, генератор синусоидального напряжения, первый и второй операционные усилители, последовательно соединенные усилитель переменного тока, перемножитель и фильтр

20 нижних частот, подключенный выходом к вольтметру, выход генератора синусоидального напряжения подключен к второму входу перемножителя и через третий резистор соединен с инвертирующим вхо25 дом первого операционного усилителя, подключенным через второй резистор к второму источнику постоянного напряжения, выход первого операционногоусилителя соединен через четвертый резистор со

30 своим инвертирующим входом и через первый резистор — с инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим входом первого опера35 ционного усилителя и подключен к общей шине устройства, выход второго операционного усилителя соединен с выводом затвора

МДП-транзистора и подключен к входу усилителя переменного тока, где 0з, lc — амплитуды переменных составляющих. В этом выражении от температуры зависит только Ь, поэтому, подставив значение Ь из формулы (3), получим б р Ф

Т Ic. (6) Us=

2 W Соpo То lc

Из выражения (6) следует, что амплитуда переменной составляющей линейно зависит от температуры, С помощью усилителя

11 переменного тока этот сигнал усиливается и подается на первый вход перемножителя 12, на второй вход которого от генератора 3 синусоидального напряжения подается опорный сигнал.

Напряжение на выходе усилителя переменного тока будет

U11 = К11

2 W Сойо То lc где К11 — коэффициент усиления усилителя переменного тока.

Напряжение на выходе фильтра нижних частот имеет вид

Фз= К12 . Кф " совр, (8) где Кф — коэффициент передачи фильтра;

K1z — коэффициент передачи перемножителя, регулировкой которого устанавливается соответствие выходного напряжения абсолютной температуре, В используемом диапазоне частот сдвиг фаэ близок к нулю, поэтому cos р имеет значение, близкое к единице.

Составитель В.Ярыч

Редактор Н.Тупица Техред М.Моргентал Корректор 3.Лончакова

Заказ 4460 Тираж.- Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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