ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1994 года по МПК H01G7/04 G01K7/16 

Изобретение относится к термометрии, а именно к датчикам температуры, и может быть использовано в криогенной технике: криоэлектронике, криоэлектротехнике, криомедицине, а также ракетной технике и других отраслях народного хозяйства, где необходимо измерение низких температур.

Широко известны криогенные термометры сопротивления на основе полупроводниковых материалов [1] , которые обладают высокой термочувствительностью. Они могут быть достаточно миниатюрными и содержать чувствительный элемент как в виде объемного тела, так и в виде пленки. Для создания термочувствительных элементов датчиков температуры используются такие полупроводники, как Ge, Si, InSb, CdSb и др. С помощью легирования удается снизить магнитосопротивление полупроводниковых термометров и тем самым повысить точность измерения в неконтролируемых внешних магнитных полях. Однако при этом приходится использовать сложную технологию легирования, особенно для наиболее низкотемпературных и широкодиапазонных датчиков. Кроме того, полупроводниковые термочувствительные элементы являются хрупкими объектами, вследствие чего возникает потребность в их специальной корпусировке, что ограничивает их применение. Пленочные датчики требуют использования специальных подложек, что усложняет технологию их изготовления, вносит дополнительные трудности, связанные с закреплением датчика на измеряемом объекте, и, как правило, дает в результате ухудшение таких характеристик, как воспроизводимость, термочувствительность, точность измерения температуры. Интервал измеряемых температур для датчиков на основе упомянутых полупроводниковых материалов ограничен и не охватывает полностью весь диапазон 1,5-300 К.

Известны также термометры сопротивления, в которых чувствительные элементы выполнены из неполупроводниковых материалов: например, из двуокиси олова, легированной сурьмой, в количестве 60 мол. % для измерения низких температур 1,5-300 К [2] , или из термически обработанного стеклоуглерода в форме пластинки, контакты которого выполнены из последовательно нанесенных слоев хрома, золота в виде узких полос на противоположных широких гранях чувствительного элемента [3] или в виде ленты или тонкой пластинки из некристаллического сплава 80-50 ат. % Са и 20-45 ат. % Al, область измеряемых температур 1,5-373 К [4] .

Все вышеуказанные датчики температуры, наряду с ранее отмеченными недостатками, обладают еще одним существенным недостатком, заключающимся в том, что ими невозможно проводить измерение температуры объектов, имеющих различную объемную конфигурацию, например, труднодоступные места на исследуемом объекте, и неоднородное распределение температур. Тепловые эффекты, возникающие на контактах датчиков с измеряемым объектом, существенно влияют на точность измерения его температуры, так как они помещаются на поверхность измеряемого объекта с помощью промежуточного слоя, например клея. Повышение точности требует разработки специальных измерительных устройств, исключающих погрешности, возникающие в процессе измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является датчик температуры, содержащий высокоомный (500-600 Ом/□ ) подслой из нихрома, расположенный на поверхности измеряемого объекта, и низкоомный (2-3 Ом/□ ) слой термочувствительного материала на основе меди или никеля и пленочные электрические контакты, расположенные на противоположных концах термочувствительного элемента [5] . Указанный датчик может быть использован для контроля температурных режимов в диапазоне от комнатной температуры до 300^оС. Отличительной особенностью датчика-прототипа является то, что он позволяет проводить измерения температур объектов, имеющих любое удельное сопротивление, поскольку высокоомный подслой позволяет исключить влияние сопротивления измеряемого объекта в случаях, когда удельные сопротивления измеряемого объекта и чувствительного элемента датчика сравнимы.

Недостаток датчика температуры-прототипа состоит в том, что его невозможно использовать при измерении низких температур.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения в область низких температур.

Цель достигается тем, что в датчике температуры, содержащем последовательно размещенные на поверхности измеряемого объекта высокоомный подслой, низкоомный слой термочувствительного материала и электрические контакты, расположенные на противоположных концах термочувствительного элемента, высокоомный подслой выполнен из высокомолекулярного органического полупроводника полипиррола состава С₄H₃N˙ (C₆H₅O₃S_)0,05-0,20, а термочувствительный слой - из полипиррола состава С₄Н₃N ˙ (C₇H₇O₃S)_0,10-0,30.

Заявляемый датчик температуры отличается от прототипа тем, что в нем чувствительный элемент выполнен из низкоомного высокомолекулярного органического полупроводника полипиррола состава C₄H₃N x (C₇H₇O₃S)_0,10-0,30, а высокоомный подслой - из полипиррола состава С₄Н₃N x (C₆H₅O₃S)_0,05-0,20. Таким образом, заявляемый датчик температуры соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого датчика с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники позволило выявить техническое решение, содержащее признак, сходный с признаком, отличающим заявляемое техническое решение от прототипа - выявлены низкоомные полимерные пленки полипиррола, однако используются они, согласно [6] , в авиационно-космической отрасли как материал, способный заменить металл. Эти пленки обладают высокой проводимостью, характерной для металлов, и высокими механическими свойствами (пластичность, гибкость, прочность), присущими полимерным пленкам. Однако неизученность низкотемпературных свойств полипиррола не позволяет применять этот объект в качестве криогенных термометров сопротивления. В заявляемом техническом решении сочетание электрофизических параметров предлагаемых материалов слоев способствует проявлению нового свойства, присущего датчикам температуры, а именно функциональной зависимости термочувствительности заявляемого датчика в криогенном диапазоне, а также слабое изменение сопротивления в магнитном поле. В патентной и научно-технической литературе отсутствуют сведения о датчике температуры, в котором содержались бы признаки заявляемого технического решения. Это позволяет сделать вывод о соответствии признаков заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен график зависимости сопротивления датчика от обратной температуры для интервала от 300 до 1,5 К; на фиг. 2 показано относительное изменение сопротивления датчика в поперечном и продольном магнитном поле при 4,2 К, кривая 1 и 2 соответственно.

Высокомолекулярный органический полупроводник полипиррол был получен методом электрохимической анодной полимеризации исходного мономера пиррола. Процесс полимеризации проводили в среде полярного органического растворителя ацетонитрила при комнатной температуре и нормальном давлении. Для придания раствору электропроводности в качестве фонового электролита использовали натриевые соли ароматических сульфокислот бензольного ряда, например n-толуолсульфонат, либо бензолсульфонат натрия. Исходная концентрация пиррола и фонового электролита в ацетонитриле находилась в пределах 0,02-0,2 моль/л.

Одним из основных преимуществ заявляемого датчика является простота получения серии пленок полипиррола с заранее заданными значениями удельных сопротивлений за счет изменения стехиометрического состава пленки полипиррола путем изменения концентрации пиррола, химического состава фонового электролита, условий получения полимера, в частности рабочего напряжения. В таблице приведены конкретные условия получения материалов слоев заявляемого датчика.

Датчик температуры представляет собой последовательно нанесенные на поверхность измеряемого объекта методом электрохимической анодной полимеризации подслой из высокоомной пленки полипиррола и слой низкоомной пленки полипиррола, выполняющей функцию термочувствительного элемента, на противоположных концах которого расположены электрические контакты, например, прикреплены высокопроводящим клеем на основе мелкодисперсной серебряной пасты. Высокоомный слой полипиррола используется для исключения влияния сопротивления измеряемого объекта на показания датчика в случаях, когда сопротивление измеряемого объекта сравнимо или меньше сопротивления чувствительного элемента датчика температуры.

Проведенные эксперименты показали хорошие термометрические свойства заявляемых датчиков температуры для диапазона температур 1,5-300 К (фиг. 1). Сопротивление датчика при комнатной температуре равно 79,0 Ом, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) составляет 0,3% град^-1, а при 1,5 К сопротивление равно 1,6 ˙ 10⁵ Ом, ТКС составляет 84% град^-1. Относительное изменение сопротивления в поперечном и продольном магнитном поле (фиг. 2), кривая 1 и 2, соответственно, измеренное при 4,2 К, практически совпадает, и при увеличении напряженности поля на величину до 40 кЭ сопротивление датчика меняется меньше чем на 5% .

В зависимости от того в каких точках исследуемого объекта необходимо провести измерение температуры, на него наносят соответствующее число датчиков. Датчики при этом могут быть как угодно малого размера. Количество датчиков температуры и места их расположения на измеряемом объекте, имеющем неоднородное распределение температуры и как угодно сложный рельеф, практически не ограничено.

В качестве базового объекта для сравнения выбран прототип. Преимущества предлагаемого датчика температуры по сравнению с базовым объектом и известными техническими решениями следующие: чувствительность датчика температуры находится в интервале 1,5-300 К, т. е. диапазон измеряемых температур расширен в криогенную область; обеспечена возможность измерения температуры исследуемых объектов, имеющих произвольную, как угодно сложную конфигурацию, и неоднородное распределение температуры за счет упругости, гибкости, высокого адгезионного контакта датчика с поверхностью измеряемого объекта; возможно изготовление миниатюрных датчиков, способных контролировать состояние объекта на всем его жизненном цикле.

Предлагаемые датчики температуры могут с успехом использоваться в различных отраслях народного хозяйства, требующих измерения криогенных температур и постоянного контроля состояния объекта. (56) 1. Орлова М. П. Погорелова О. Ф. Улыбин С. А. Низкотемпературная термометрия. М. , Энергоатомиздат. 1987, с. 280.

2. Автоpское свидетельство СССР N 298839, кл. G 01 K 7/10, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР N 325516, кл. G 01 K 7/16, 1972.

4. Заявка Японии N 63-59084, кл. G 01 K 7/16, 1981.

5. Желудков В. Т. Колесников Д. П. Рогов Н. В. Использование пленочных термосопротивлений для измерений температуры подложек. Электронная техника. Сер. VI. Микроэлектроника, 1968, N 4 (12), с. 55-58.

6. Патент Японии N 61-209225, кл. С 08 G 61/12, 1979.

Использование: термометрия, криогенная техника, в частности изготовление миниатюрных датчиков. Сущность изобретения: чувствительный элемент выполнен из высокомолекулярного органического полупроводника полипиррола состава C₄H₃N(C₇H₇O₃S)_0,10-0,30 и нанесен на подслой из высокоомного полипиррола состава C₄H₃N(C₆H₅O₃S)_0,05-0,20 , размещенного непосредственно на поверхности измеряемого объекта. Рабочий диапазон датчика 300 - 1,5 К. 2 ил. , 1 табл.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий последовательно размещенные на поверхности измеряемого объекта высокоомный подслой, низкоомный слой термочувствительного материала и электрические контакты, расположенные на противоположных концах термочувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения в область низких температур, в качестве материала подслоя использован полипиррол состава C₄H₃N ˙ (C₆H₅O₃S)_0,05-0,30 , а в качестве материала термочувствительного слоя использован полипиррол состава C₄H₃N ˙ (C₇H₇O₃S)_0,10-0,30 .