Способ измерения малых переменных тепловых потоков

Изобретение относится к области микроэлектроники и теплотехники, в частности к способам измерения малых тепловых потоков, и может быть использовано для измерения быстроменяющихся тепловых потоков. Сущность: измеряют величину термоЭДС, возникающую между нагреваемыми и холодными спаями батареи термопар, расположенных на диэлектрической мембране. После проведения процесса измерения между мембраной и термостатированным корпусом прикладывают электрическое поле для осуществления теплового контакта мембраны с термостатированным корпусом для выравнивания температуры спаев. Технический результат: повышение быстродействия измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и теплотехники, в частности к способам измерения малых тепловых потоков, и может быть использовано для измерения быстроменяющихся тепловых потоков.

Известен способ измерения малых тепловых потоков, в основу которого положен болометрический эффект [1]. Он заключается в изменении сопротивления материала в результате нагрева, вызванного падающим излучением. Эта температурная зависимость характеризуется термическим коэффициентом сопротивления

где R - сопротивление, Т - абсолютная температура образца.

Способ заключается в том, что болометр (терморезистор) нагревают тепловым потоком, в результате чего меняется его сопротивление согласно формуле (1), затем измеряют напряжение на нагрузочном сопротивлении в цепи болометра, которое будет пропорционально изменению сопротивления болометра.

Недостатком указанного способа является низкое быстродействие измерения, которое определяется временем, необходимым для того, чтобы принявший излучение болометр успел охладиться до температуры среды, в которой он находится [1. c.84]. Тепло либо рассеивается в окружающую среду (при этом трудно обеспечить идеальный теплоотвод), либо отводится за счет теплопроводности через подложку или через электрические контакты. Инерционность определяется теплоемкостью чувствительного элемента и теплопроводностью подложки (которую нужно увеличивать, чтобы повысить быстродействие).

Кроме того, известен способ измерения малых тепловых потоков, являющийся прототипом [2], в основу которого положен термоэлектрический эффект (эффект Зеебека). Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи, составленной из двух различных твердых тел (термопаре), при наличии разности температур спаев возникает термоЭДС, пропорциональная разности температур горячего и холодного спаев.

где ΔЕ - величина термоЭДС, (В);

α_T - коэффициент термоЭДС, В/К;

ΔТ=Т₂-Т₀ - разность температур горячего и холодного спаев, К.

Таким образом, измерение температуры термопарой сводится к измерению термоЭДС, которую термопара развивает при строго фиксированной температуре одного из спаев.

Способ заключается в том, что один из спаев термопары нагревают падающим потоком, в то время как второй спай (холодный) остается при постоянной температуре, затем измеряют термоЭДС между нагретым и холодным спаями. Чтобы получить максимальный нагрев, следует уменьшить коэффициент теплопередачи, сведя к минимуму потери за счет конвекции и теплопроводности. Для этого помещают приемник в вакуумированный корпус и термоизолируют его держатель. Это уменьшает тепловой поток от горячих спаев к холодным, увеличивает разность температур между спаями и, следовательно, выходной сигнал. Когда, наоборот, первостепенное значение имеет быстродействие, коэффициент теплопередачи увеличивают, помещая приемник в воздухе и укрепляя его на металлической подложке клеем, обладающим хорошей теплопроводностью и электроизолирующими свойствами [3. с.210].

Недостатком указанного способа является низкое быстродействие измерения из-за низкого коэффициента теплопередачи.

Этот вывод подтверждается простыми рассуждениями и решением уравнения теплопроводности. Действительно, при выключении теплового потока разность температур холодного и горячего Т₁-Т₀ спаев долго сохраняется из-за низкой теплопроводности элементов конструкции. Это приводит к длительному процессу выравнивания температур (Т₁-Т₀=0), после которого возможен следующий цикл измерений.

Это утверждение подтверждается решением уравнения теплопроводности [3 с.210-211]:

где С - теплоемкость, W - поток падающего излучения, α - коэффициент поглощения, G_o - коэффициент теплопередачи.

Решение уравнения (1) при включении источника излучения имеет вид:

а при выключении источника:

где ΔT=T₁-Т₀ разность температур, τ - время задержки, равное:

В случае модулированного потока W=W₀+W₁cos ωt получим установившийся синусоидальный режим нагрева, модуляция которого будет происходить с амплитудой

где

Из выражений (1-5) видно, что с ростом отношения С/G₀ возрастает разность, температур ΔT=T₁-T₀, с другой стороны также растет время задержки τ [3 с.210-211]. Это объясняется тем, что при уменьшении коэффициента теплопередачи G_o время выравнивания температур после выключения излучения будет определяться теплообменом между нагретыми и холодными спаями термопар. Тепловое запаздывание, определяемое временем задержки τ, будет, наоборот, тем меньше (а быстродействие выше), чем больше коэффициент теплопередачи и чем меньше теплоемкость С.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия измерения малых переменных тепловых потоков.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения малых тепловых потоков, заключающемся в том, что измеряют величину термоЭДС, возникающую между нагреваемыми и холодными спаями батареи термопар, расположенных на диэлектрической мембране, после проведения процесса измерения между мембраной и термостатированным корпусом прикладывают электрическое поле для осуществления теплового контакта мембраны с термостатированным корпусом для выравнивания температуры спаев. Тепловой поток пропорционален величине измеряемой термоЭДС.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит термостатированный корпус 1, кремниевую подложку 2, на которой последовательно располагаются диэлектрическая мембрана 3, например, из фторида кальция, термопары 4 (батарея термопар) и электрические контакты 5.

Способ осуществляется следующим образом. Тепловой поток (hν) нагревает спаи термопар, расположенные в центре мембраны, а периферия находится в условиях термостабилизации. Затем измеряют термоЭДС, пропорциональную разности температур между горячими и холодными спаями. Затем для быстрого выравнивания температуры горячего и холодного спаев после окончания измерения между контактами 5 и корпусом 1 прикладывается разность потенциалов V, вызывающая прогиб мембраны 3, что приводит к выравниванию температур горячего и холодного спаев термопар.

При приложении разности потенциалов между термостатированным корпусом датчика и проводящими шинами термопар мембрана прогибается и касается охлаждаемого корпуса датчика. При этом скорость охлаждения горячих спаев батареи термопар пропорциональна площади теплового контакта и, следовательно, приложенному напряжению. При определенных напряжениях и геометрических размерах датчика мембрана 80% своей площади касается охлаждаемого корпуса, что позволяет провести охлаждение за время более чем в 1000 раз меньшее, чем нагрев. Прикладываемое напряжение зависит от конструкции используемого устройства, в частности от материала, формы и геометрических размеров мембраны и может быть рассчитано известными способами [4].

Таким образом, если временной фронт нарастания температуры остается неизменным, то фронт спада, обычно имеющий такое же характеристическое время, становится очень коротким. В этом случае быстродействие измерения теплового потока увеличивается.

Литература

1. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов. Под ред. Р.ДЖ.Киеса. М.: Радио и связь, с.33, 1985.

2. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа, с.110, 1977.

3. Ж.Аш с соавторами. М.: Мир, т 1, 1992.

4. Драгунов В.П. Микромеханические системы с электростатическим управлением - Научный вестник НГТУ. - № 1(14), с.63-72.

Способ измерения малых переменных тепловых потоков, заключающийся в том, что измеряют величину термоэдс, пропорциональную падающему тепловому потоку и возникающую между нагреваемыми и холодными спаями батареи термопар, расположенных на диэлектрической мембране, отличающийся тем, что после проведения процесса измерения между диэлектрической мембраной и термостатированным корпусом прикладывают электрическое поле, осуществляя тепловой контакт мембраны с термостатированным корпусом.