УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2009 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к технике регулирования температуры в прецизионных устройствах и может быть использовано для поддержания постоянства параметров этих устройств в широком диапазоне температур окружающей среды (ТОС).

Известен микротермостат с позисторным нагревателем, содержащий термостатируемую подложку, схему регулирования температуры и расположенные на рабочей поверхности подложки и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и позисторный нагреватель [1]. Позистор - терморезистор с большим положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в области развитого фазового перехода из пьезоэлектрического состояния в параэлектрическое. При подключении к источнику постоянного напряжения позистор работает как саморегулирующийся нагревательный элемент, уменьшающий выделяемую мощность с ростом ТОС. Позисторы имеют большую инерционность, нестабильны во времени. Кроме того, позисторы одного типа, взятые из разных партий, имеют величину сопротивлений при температуре фазового перехода, различающуюся почти в восемь раз. Указанные недостатки позисторов ограничивают точность термостатирования микротермостата. Другой недостаток этого микротермостата состоит в том, что высокая точность термостатирования подложки достигается лишь вблизи позисторного нагревателя, а термостатируемые элементы, удаленные от позисторного нагревателя, имеют в широком диапазоне ТОС низкую точность термостатирования из-за конечной величины теплопроводности подложки.

Известно термостатирующее устройство для автоматического регулирования температуры различных электронных блоков, их узлов и элементов, содержащее схему регулирования температуры и электрически соединенные с ней три датчика температуры и нагреватель [2]. Схема регулирования температуры электрически соединена с датчиком температуры объекта и с двумя датчиками температуры внешней среды, один из которых размещен вблизи нагревателя, а другой - вдали от него. Эта схема содержит логическое устройство, отключающее нагреватель при достижении объектом заданной температуры, термочувствительный мост, соединенный с входом усилителя, выход которого соединен с нагревателем. При аварийном кратковременном отключении питающей устройство электрической сети логическое устройство при повторном включении сети меняет режим работы нагревателя, реагируя на то, что датчик температуры внешней среды, размещенный вблизи нагревателя, имеет температуру выше, чем датчик температуры внешней среды, размещенный вдали от нагревателя. Изменение режима работы нагревателя в этом случае предотвращает увеличение температуры объекта сверх допустимого значения. Недостаток этого термостатирующего устройства состоит в том, что оно регулирует температуру только в непосредственной близости от места размещения датчика температуры объекта, а части блоков, элементов и узлов автоматики, удаленные от этого места, имеют в широком диапазоне ТОС низкую точность термостатирования.

Известно другое устройство для термостабилизации, содержащее схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры три датчика температуры и два транзистора-нагревателя [3]. Для увеличения точности поддержания температуры в камере термостата за счет уменьшения градиента температуры по камере и уменьшения времени выхода устройства в режим термостабилизации использованы не один, а два контура управления температуры по камере. В первом контуре управления с двумя операционными усилителями использованы два транзистора-нагревателя, установленных на торцах теплоизолированной рабочей камеры, при этом вблизи каждого транзистора-нагревателя помещен датчик температуры. Во втором контуре управления на боковой поверхности рабочей камеры расположены еще один датчик температуры и нагреватель, управляемый терморегулятором. Недостаток этого устройства для термостабилизации состоит в том, что оно регулирует температуру поверхности рабочей камеры только в непосредственной близости от мест размещения каждого из трех датчиков температуры. Элементы и узлы, удаленные от датчиков, имеют в широком диапазоне ТОС низкую точность термостатирования.

Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для термостатирования полупроводниковых пластин интегральных микросхем, содержащее пластину-подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор подогрева [4]. Благодаря введению в схему регулирования температуры обратной связи и выполнению датчика температуры в виде дифференциального усилителя достигается повышение точности термостатирования за счет исключения гистерезиса. Недостаток этого устройства состоит в том, что высокая точность термостатирования пластины-подложки достигается лишь в области расположения датчика температуры, а элементы, удаленные от датчика температуры, имеют в широком диапазоне ТОС низкую точность термостатирования из-за конечной величины теплопроводности подложки.

Общим недостатком всех вышеперечисленных устройств [1-4] является низкая точность термостатирования электрорадиоэлементов.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение: повышение точности термостатирования электрорадиоэлементов в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Это достигается тем, что в устройстве стабилизации температуры элетрорадиоэлементов, содержащем подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор-нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, подложка выполнена в форме квадрата, транзистор-нагреватель расположен на рабочей поверхности подложки в центральной ее части, датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки, и на рабочую поверхность подложки нанесены границы кольцевой термостатируемой области в виде двух центральных концентрических окружностей, визуально различимых от остальных частей рабочей поверхности подложки, радиусы которых определяют путем расчета или экспериментальных измерений температурного поля подложки. В первом частном случае датчик температуры расположен в одном из углов подложки. Во втором частном случае датчик температуры расположен на оси, проходящей через центр подложки перпендикулярно ее двум граням.

На фиг.1 и 2 приведены структурные схемы двух вариантов предлагаемого устройства стабилизации температуры электрорадиоэлементов, на которых обозначено: 1 - подложка; 2 - схема регулирования температуры; 3 - датчик температуры; 4 - транзистор-нагреватель; 5 - термостатируемая область; 6 - внутренняя граница термостатируемой области радиуса r₁; 7 - наружная граница термостатируемой области радиуса r₂.

На фиг.3 приведена схема включения транзистора при использовании его в качестве датчика температуры, а на фиг.4 - вольтамперные характеристики этого транзистора для двух значений ТОС.

На фиг.5 приведены зависимости температуры в различных точках квадратной подложки при разных значениях ТОС, а на фиг.6 - эти же зависимости для прямоугольной подложки с отношением ширины подложки к ее длине, равным 2/3.

Варианты структурных схем устройств, изображенных на фиг.1 и 2, отличаются местом расположения датчика температуры 3 на рабочей поверхности подложки 1.

Устройство стабилизации температуры электрорадиоэлементов работает следующим образом. Мощность, выделяемая транзистором-нагревателем 4, приводит к перегреву подложки ΔT_П, равному разности между температурой подложки (Т_П) и ТОС (Т_ОС): ΔТ_П=Т_П-T_ОС.

При увеличении ТОС увеличиваются температуры подложки 1 и датчика температуры 3, расположенного на рабочей поверхности подложки. В качестве датчика температуры 3 был применен бескорпусной биполярный транзистор малых размеров, что уменьшило тепловую инерционность датчика и увеличило динамическую точность регулирования температуры. Коллектор транзистора (датчика температуры 3), электрически соединенный с входом дифференциального усилителя, входящего в схему регулирования температуры, включен по схеме с общим эмиттером (фиг.3). Из вольтамперной характеристики транзистора (фиг.4) видно, что при постоянном задающем напряжении U_ЭБ0, поступающем на базу транзистора VT с резистора R2, увеличение ТОС от значения Т₁ до значения Т₂ приводит к резкому увеличению тока коллектора I_К0, что вызывает уменьшение напряжения коллектора

U_К. Напряжение коллектора U_К поступает на один из входов дифференциального усилителя схемы регулирования температуры, с выходом которого соединена база транзистора-нагревателя 4, расположенного на рабочей поверхности подложки. Уменьшение напряжения коллектора U_К вызывает уменьшение тока через транзистор-нагреватель 4 и уменьшение температуры подложки 1. При уменьшении ТОС (Т_ОС) и температуры T_П подложки 1 напряжение коллектора U_К транзистора (датчика температуры 3) увеличивается, что приводит к увеличению тока через транзистор-нагреватель 4 и к увеличению температуры Т_П подложки 1. Величину температуры термостатирования Т_СТ подложки 1 можно изменять, меняя опорное напряжение на другом входе дифференциального усилителя схемы регулирования температуры.

Из-за того, что теплопроводность подложки является конечной величиной, заданный диапазон изменения температуры термостатирования будет обеспечиваться на рабочей поверхности подложки только вблизи размещения датчика температуры 3. По этой причине точность термостатирования в различных точках поверхности подложки в широком диапазоне изменения ТОС неодинакова. В случае, когда датчик температуры 3 расположен у края рабочей поверхности подложки 1, транзистор-нагреватель 4 - на рабочей поверхности подложки 1 в центральной ее части, а подложка выполнена в форме квадрата, точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченной области поверхности подложки, оказывается выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Это подтверждается графиками температурных полей термостатируемой подложки из керамики ВК94, выполненной в форме квадрата, имеющей размеры 12×12×1 мм³. Графики приведены на фиг.5. Центр датчика температуры размещался в углу подложки и имел координаты х=5,5 мм, у=5,5 мм. Заданный диапазон изменения температуры термостатирования в районе размещения датчика температуры составлял ΔТ_СТ.З.=5 К. Нагреватель имел размеры 5×5×1 мм³ и максимальную тепловую мощность Р_MAX=2,2 Вт. Диапазон изменения температуры внешней среды ΔT_ОС=100 К находился в пределах 223…323 К. Картины тепловых полей вдоль оси X при фиксированных значениях координаты У получены с помощью математического моделирования (фиг.5, а…ж).

Для оценки точности термостатирования в различных точках поверхности подложки в широком диапазоне изменения ТОС сначала введем коэффициент влияния А изменения ΔТ_ОС температуры окружающей среды Т_ОС на изменение ΔТ_П температуры подложки Т_П

Затем введем коэффициент точности термостатирования

K_ТЕРМ=1-А.

Максимальная точность термостатирования K_ТЕРМ=1 при А=0. Точность термостатирования тем выше, чем меньше коэффициент А отличается от нуля.

Как показали наши исследования, грамотное введение таких ограничений (при реально существующей конечной величине коэффициента теплопроводности подложки) позволяет повысить точность термостатирования элементов в области термостатирования при одной и той же точности регулирования температуры подложки в районе размещения датчика температуры.

На подложке прямоугольной формы с отношением ширины подложки к ее длине, равным 2/3, также удалось добиться более высокой точности термостатирования элементов, расположенных в ограниченной области поверхности подложки, по отношению к точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры.

На фиг.6 приведены зависимости изменения температуры вдоль оси Х при У=8 мм и вдоль оси У при Х=6 мм для подложки из керамики ВК94 с размерами 12×16×1 мм³. Транзистор-нагреватель был расположен в центре подложки. Зависимости приведены для трех вариантов расположения датчика температуры: на оси У на краю подложки (фиг.6, а), в углу подложки (фиг.6, б) и на оси Х на краю подложки (фиг.6, в). Зависимости получены с помощью математического моделирования при следующих значениях исходных данных и параметров:

- габаритные размеры подложки 12×16×1 мм³;

- габаритные размеры нагревателя 5×5×1 мм³;

- максимальная тепловая мощность транзистора-нагревателя Р_MAX=2,2 Вт;

- диапазон изменения температуры внешней среды 223…323 К;

- температура термостатирования Т_СТ=333 К;

- заданный диапазон температуры термостатирования в области размещения датчика температуры ΔТ_СТ.З.=5 К.

В заявляемом устройстве стабилизации температуры электрорадиоэлементов подложка может быть выполнена как из полупроводника (как в устройстве-прототипе), так и из диэлектрика.

Значение величины r₁ зависит от заданной точности термостатирования на внутренней границе термостатируемой области, а значение величины r₂ - от заданной точности термостатирования на ее внешней границе. Возможно увеличение точности термостатирования за счет уменьшения области термостатирования (с шириной кольца, равной r₂-r₁).

В заявляемом устройстве стабилизации температуры элементов подложка квадратной формы применена из-за того, что при прочих равных условиях она обеспечивает повышение точности термостатирования элементов на относительно большей площади поверхности подложки, чем на подложке прямоугольной формы с отношением ширины к длине, меньшим единицы.

На математических моделях нами были исследованы:

- зависимости температуры подложки от координаты поверхности подложки;

- изменение закона распределения температуры по поверхности подложки в зависимости от величины ТОС (фиг.4, 5). Исследования были проведены при различных размерах и материалах подложки и при различных способах размещения на подложке транзистора-нагревателя, датчика температуры и термостатируемых элементов.

Статическая ошибка регулирования температуры ΔT_ПД в области подложки, где расположен датчик температуры, определяется выражением

ΔT_ПД=ΔТ_ОС/(К₀+1),

где К₀ - коэффициент усиления схемы регулирования температуры.

На фиг.5 и 6 приведены результаты исследований для подложек из керамики ВК94 квадратной и прямоугольной формы при коэффициенте усиления схемы регулирования температуры К₀=100. Из этих графиков следует, что бóльшие изменения температуры ΔТ_П на подложке из керамики ВК94 при изменении ТОС в широких пределах, а следовательно, малая точность термостатирования были в центре подложки (при Х=0).

Для двух описанных выше частных случаев размещения датчика температуры на квадратной подложке из керамики ВК100 с размерами 12×12×1 мм³ были исследованы температурные поля. Характер изменения температуры на подложке из керамики ВК100 (коэффициент теплопроводности λ=31 Вт/(м·К)) и ВК94 (λ=13,2 Вт/(м·К)) был одинаков. При прочих равных условиях площадь термостатируемой области на рабочей поверхности подложки из керамики ВК100 оказалась больше. Для бериллиевой керамики с содержанием ВеО 99,5% (λ=210 Вт/(м·К)) на подложке с размерами 12×12×1 мм³ при моделировании не удалось достичь того, чтобы точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченной области поверхности подложки, стала выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Для этого материала эффект наблюдается лишь на подложках бóльших размеров, чем на подложках, изготовленных из материалов с меньшей теплопроводностью.

Использование в предлагаемом устройстве подложки с формой, отличной от квадратной формы, нецелесообразно, так как в этом случае выигрыш в точности термостатирования элементов отсутствует. Тем более, что только технология изготовления прямоугольных (в том числе квадратных) подложек из более крупных подложек стандартных размеров является безотходной и выгодной.

Приведенные результаты математического моделирования подтвердили, что при одинаковой точности регулирования температуры подложки в районе размещения датчика температуры предлагаемое устройство с названными ограничениями на форму подложки, на размеры и области размещения транзистора-нагревателя и датчика температуры позволяет повысить точность термостатирования элементов по сравнению с вышеприведенными устройствами-аналогами, включая и устройство-прототип. Повышение точности тем больше, чем меньше ширина плоского кольца термостатируемой области на рабочей поверхности подложки.

Источники информации

1. Пат. РФ №2164709, кл. G05D 23/19. Козлов В.Г., Алексеев В.П., Озеркин Д.В. Микротермостат с позисторным нагревателем. Опубл. 27.03.2001. Бюл. №9.

2. А.с. СССР №1589260, кл. G05D 23/19. Горчаков В.В., Шлапаков В.М., Орлов О.В. Термостатирующее устройство. Опубл. 30.08.90. Бюл. №32.

3. А.с. СССР №1580332, кл. G05D 23/19. Васильченко А.В., Попов В.В. Устройство для термостабилизации. Опубл. 23.07.90. Бюл. №27.

4. А.с. СССР №1672421, кл. G05D 23/19. Бабаян Р.Р., Окропидзе Д.П., Ованесян О.Г. Устройство для термостатирования полупроводниковых пластин интегральных микросхем. Опубл. 23.08.91. Бюл. №31 - прототип.

Изобретение относится к технике регулирования температуры в прецизионных устройствах и может быть использовано для поддержания постоянства параметров этих устройств в широком диапазоне температур окружающей среды. Сущность изобретения состоит в том, что устройство стабилизации температуры электрорадиоэлементов содержит подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор-нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, подложка выполнена в форме квадрата, транзистор-нагреватель расположен на рабочей поверхности подложки в центральной ее части, датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки и на рабочую поверхность подложки нанесены границы кольцевой термостатируемой области в виде двух центральных концентрических окружностей, визуально различимых от остальных частей рабочей поверхности подложки, радиусы которых определяют путем расчета или экспериментальных измерений температурного поля подложки. Технический результат - повышение точности термостатирования электрорадиоэлементов в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство стабилизации температуры электрорадиоэлементов, содержащее подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор-нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, отличающееся тем, что подложка выполнена в форме квадрата, транзистор-нагреватель расположен на рабочей поверхности подложки в центральной ее части, датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки и на рабочую поверхность подложки нанесены границы кольцевой термостатируемой области в виде двух центральных концентрических окружностей, визуально различимых от остальных частей рабочей поверхности подложки, радиусы которых определяют путем расчета или экспериментальных измерений температурного поля подложки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик температуры расположен в одном из углов подложки.