Датчик температуры с частотным выходом
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
1 )972258 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 12.08.80 (21) 2973410/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М, Кл,з
G 01 К 7/00
Государственный комитет (53) УДК 536.53 (088.8) Опубликовано 07.11.82. Бюллетень № 41
Дата опубликования описания 17.11.82 по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения
« г
" "l. «1:;)Н .
Э .1 и "гз«-;, Ь (Н)ь.:..-, )
I 1. <,, t и!;,1
А. И. Дрожжин и A. П. Ермаков (71) Заявитель
Воронежский политехнический институт (54) ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ
Изобретение относится к термометрии.
Известен преобразователь температуры в частоту, содержащий генератор импульсов на тиристоре и терморезистор, включенный в цепь управляющего электрода тиристора f )) .
Однако такой преобразователь обладает су)цественным разбросом выходной характеристики.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик тем- 1О пературы с частотным выходом, содержащий термочувствительный элемент в виде однопереходного тра нзистора, выполненного на нитевидном кристалле полупроводника и включенного в схему релаксационного генератора 12).
Частота колебаний, генерируемых релаксационным генератором в таком датчике, определяется емкостью С и резистором R в цепи генератора, а также коэффициентом деления Г)
Р) ч= (1) где К, и R — сопротивления базы один и базы два однопереходного транзистора соответственно.
Период колебаний релаксационного генератора определяется соотношением
Т- R С 1п —,—,— (7) где (,)вк.) — напряжение включения однопереходного транзистора, определяемое через напряжение Е источника питания, коэффициент деления 1) и напряжение 111 на открытом эмиттерном переходе
1- вкл = Q E + 1- )) (3)
Основным недостатком датчика является малая чувствительность к изменению температуры, которая, как следует из приведенных выше соотношений, зависит от двух параметров — коэффициента деления q u напряжения V . Температурные уходы коэффициента г! из-за одинакового температурного коэффициента сопротивления (ТКС) баз (сопротивлений К1 и Ке) крайне малы и связаны в основном с неоднородностью материала по длине кристалла. Значение дЧ обычно не превышает 0,01%К . Температурный дрейф напряжения Uq также весь»а мал.
Цель изобретения — повышение чувствительности датчика.
972258
Поставленная цель достигается тем, что в датчике температуры с однопереходным транзистором, выполненным на нитевидном кристалле полупроводника и включенным в схему релаксационного генератора, нитевидный кристалл полупроводника жестко укреплен на подложке из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, граница раздела которых совпадает с областью эмиттера однопереходного транзистора.
При этом температурный коэффициент линейного расширения одного из материалов подложки больше, а другого меньше температурного коэффициента линейного расширения полупроводника.
Повышение чувствительности датчика обеспечивается путем изменения величины коэффициента 11 при изменении температуры, используя тензочувствительность нитевидного кристалла полупроводника.
На фиг. 1 представлен термочувствительный элемент датчика, вид сбоку; на фиг. 2— сечение А — А на фиг. 1; на фиг. 3 — схема релаксационного генератора.
Датчик температуры с частотным выходом содержит термочувствительный элемент в виде однопереходного транзистора I, выполненного на нитевидном кристалле 2 полупроводника (кремния р-типа с ориентацией оси роста (111) . К нитевидному кристаллу 2 изготавливают три точечных контакта 3 — 5 с присоединенными электродами для включения в электрическую цепь.
В средней части кристалла (точечный контакт 4) сформирован электронно-дырочный переход, образующий область эмиттера однопереходного транзистора 1, которая разделяет кристалл на два участка: база один 6 и база два 7 однопереходного транзистора. Омические точечные контакты 3 и 5 изготовляют точечной сваркой. Электронно-дырочный переход может быть сформирован одним из известных способов, например методом диффузии, вплавления и т. д.
Нитевидный кристалл 2 жестко укреплен на подложке 8 специальным клеем с большим коэффициентом передачи деформации, например, на основе стекол (ситаллы и другие) или керамик с последующим высокотемпературным отжигом.
Подложка 8 состоит из двух частей 9
:30 и 10, образованных материалами с различными температурными коэффициентами 50 линейного расширения (ТКЛР) . Граница
l I раздела материалов подложки 8 совпадает с местоположением среднего контакта 4, т. е. с областью эмиттера однопереходного транзистора 1. ТКЛР части 9 материала подложки 8 на максимально воз55 можную величину меньше ТКЛР кремния.
В качестве материала части 9 можно использовать, например, кварц, ТКЛР которого равен 0,585 10 6К, а ТКЛР кремния равен 2,33 10 6К . ТКЛР части 10 материала подложки 8 выбирается на максимально возможную величину больше ТКЛР кремния. Для части 10 можно использовать, напримеп, эбонит, ТКЛР которого равен
842 .10 К
Тыльной стороной подложки 8 датчик температуры клеем, с возможно меньшим коэффициентом передачи деформации, укрепляется на детали, температура которой подлежит контролю (не показано) .
Однопереходный транзистор 1 включен в схему релаксационного. генератора с резистором R (12) и конденсатором С (!3), период колебаний которого определяется соотношением (2) .
Датчик температуры работает следующим образом.
При изменении температуры на ЛТ сопротивление базы один изменяется на величину
ЛР,=С(т).(<,-K()) AT Я, К(т), (4) а сопротивление базы два изменяется на величину
4Rq С(Т) (42-
Сь (и с — температурные коэффициенты линейного расширения материалов подложки на участках 9 и 10 и нитевидного кристалла 2 соответственно;
R1 и Rz — сопротивления баз один и два, т. е. участков 6 и 7 монокристаллического полупроводника кремния;
К (Т) — коэффициент тензочувствительности нитевидного кристалла, зависящий от температуры.
Так как 1,(d,а Ыд )а то AR <ЬК .
Это ведет к такому изменению величины коэффициента 1, что изменение составляющей 11Е слагается с изменением U|I и ведет согласно (3) к значительному изменению напряжения включения Uz .
Период колебаний релаксационного генератора меняется в соответствии с изменением U > в зависимости от величины измеряемой температуры.
Т R-С In ——
i: -иди (6)
В предлагаемом датчике температуры изменение величины 1 с температурой достигает до 1,3о оК, что приводит к увеличению чувствительности более чем в 100 раз по сравнению с известным.
972258
Формула изобретения
Составитель В. Голубев
Редактор H. Кешеля Техред И. Верес Корректор Н. Король
Заказ 7880/28 Тираж 887 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
1 I 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4
l. Датчик температуры с частотным выходом, содержащий термочувствительный элемент в виде однопереходного транзистора, выполненного на нитевидном кристалле полупроводника и включенного в схему рела ксационного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности датчика, нитевидный кристалл полупроводника жестко укреплен на подложке, выполненной из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, граница раздела которых совпадает с областью эмиттера однопереходного транзистора.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что температурный коэффициент линейного расширения одного из материалов подложки больше, а другого меньше температурного коэффициента линейного расширения полупроводника.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
l. Авторское свидетельство СССР № 723395, кл. Ci Ol К 7/14, 1976.
2. Ерофеева И. А. Импульсные устройства на однопереходных транзисторах. М., «Связь», 1974, с. 17 (прототип).