ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ "ТЕМПЕРАТУРА-НАПРЯЖЕНИЕ" Российский патент 2009 года по МПК H01C17/22 G01R19/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области микроэлектроники, а также измерительной техники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных микросборок, а более конкретно для конструирования и изготовления преобразователей температуры в напряжение электрического тока.

Уровень техники

Известны методы расчета и изготовления преобразователей температуры в напряжение электрического тока на базе терморезисторов различного типа [1]. Первые - терморезисторы на основе металлов: платина, медь, никель, вольфрам - обладают высокой стабильностью температурного коэффициента сопротивления (ТКС), линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. Вторые - полупроводниковые терморезисторы - отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС (обладают большей чувствительностью к температуре).

Основным недостатком первых типов преобразователей температуры согласно работе [1] являются для первых либо дороговизна, либо недостаточная чувствительность, либо то и другое, а вторых - нелинейность характеристики преобразования.

Известны структурные и принципиальные схемы преобразователей температуры в напряжение, приведенные, например, также в работе [1] (С.270-274) или в работе [2] (С.155-157). Однако все они обладают либо нелинейностью, либо недостаточной чувствительностью, либо значительной погрешностью преобразования.

Известны линейные измерительные преобразователи температуры в напряжение на базе тонкопленочных элементов [3 (в частности, С.41, рис.4-а)], (прототип), содержащие операционный усилитель и два резистивных делителя напряжения, выполненных по тонкопленочной технологии, выход первого из которых подключен к прямому входу операционного усилителя, выход второго делителя напряжения подключен к инверсному входу, вход первого резистивного делителя подключен к выходу источника опорного напряжения, а вход второго - к выходу операционного усилителя, причем коэффициент деления первого делителя напряжения подгоняется согласно соотношения:

,

где K_g - коэффициент деления первого делителя напряжения;

α₁ и α₂ - различающиеся по знаку ТКС резисторов первого делителя, содержащего тонкопленочные резисторы, выполненные из различных материалов.

Недостатком данного устройства является невысокая точность преобразования из-за наличия в выходном сигнале неинформационной постоянной составляющей.

Сущность изобретения

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание преобразователя «температура - напряжение» на базе тонкопленочной (ТП) микросхемы, обладающего более высокой точностью.

Поставленная задача достигается за счет того, что в преобразователе «температура - напряжение», содержащем операционный усилитель и два резистивных делителя напряжения, выполненных по тонкопленочной технологии, выход первого из которых подключен к прямому входу операционного усилителя, выход второго делителя напряжения подключен к инверсному входу, вход первого резистивного делителя подключен к выходу источника опорного напряжения, а вход второго - к выходу операционного усилителя, делители напряжения изготавливают как отдельную микросборку, в которой между выводом подключения источника опорного напряжения и выводом подключения к инверсному входу операционного усилителя устанавливают дополнительный резистор, выполненный по единой технологии и из одного и того же материала, что и второй делитель напряжения, с сопротивлением, равным сопротивлению цепи обратной связи операционного усилителя.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 представлен делитель напряжения с сопротивлениями плеч R1 и R2, входным напряжением U1 и выходным U2.

На фиг.2 представлена электрическая модель тонкопленочной терморезисторной микросхемы (ТПМ) с сопротивлениями R1 и R2 (первый делитель напряжения) тонкопленочных резисторов, выполненных из материалов с различными удельными сопротивлениями ρ1 и ρ2, и различными ТКС: α1 и α2, а также с сопротивлениями R3, R4 (второй делитель напряжения) и R5 тонкопленочных резисторов, выполненных из одного материала при одинаковой толщине резистивной пленки, так что ρ3=ρ4=ρ5, а ТКС: α3=α4=α5; 1÷5 контактные площадки с электрическими выводами микросхемы; К(α) - коэффициент деления как функция от ТКС.

На фиг.3 представлен преобразователь температуры в напряжение на операционном усилителе ОУ, в цепи которого включены резисторы с сопротивлениями R1÷R5, с входным опорным напряжением U1 и выходным U2.

На фиг.4 представлена схема подключения тонкопленочной терморезисторной микросхемы ТПМ к удаленному операционному усилителю кабельной линией длиной L.

Отличительные признаки

Отличительными признаками заявленного способа по сравнению с прототипом являются:

1. В состав микросхемы ТПМ вводят дополнительный резистор R5, сопротивление которого равно сопротивлению цепи обратной связи операционного усилителя.

2. Резистивную электрическую цепь (сопротивления R3, R4, R5), подключаемую к инверсному входу операционного усилителя, выполняют из одного тонкопленочного материала (ТКС: α3=α4=α5).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1-4.

Как следует из описания способа изготовления терморезистора [4], ТКС - α тонкопленочного терморезистора можно получить, исходя из условий подгонки, в диапазоне значений α€[α1; α2]. Так, если, например, тонкопленочным материалом первого резистора является кермет К30С с α1=-0,0004°С^-1, а второго - никель с α2=0,005°С^-1, α € [-0,0004; 0,005]°С^-1 (€ - знак принадлежности диапазону). При этих невысоких по абсолютной величине значениях ТКС тонкопленочного резистора дополнительными положительными свойствами его является хорошая линейность изменения полного сопротивления в диапазоне температур -60÷+200°С, то есть стабильность ТКС в этом температурном интервале. Если взять за начало отсчета температуры +20°С, то известную зависимость сопротивления от температуры можно записать как:

Для терморезистора информационной частью формулы (1) является слагаемое R₂₀·α·Т, и при R₂₀=1 кОм, α=0,005, Т=1°С, R₂₀·α·Т=5 Ом. Ток 10 мА создаст на терморезисторе в этом случае падение напряжения (10+0,05) В. При этом выделить из общего сигнала полезный, во много раз меньший сигнал довольно сложно.

Рассмотрим делитель напряжения, схема которого представлена на фиг.1. Его коэффициент деления равен:

где K_g - коэффициент деления напряжения, поданного на вход делителя.

Подставим в формулу (2) температурные зависимости (1) для каждого из сопротивлений:

Приравняем единице знаменатель из последней формулы (3), тогда получим:

, или

Таким образом, если выполняется условие (4), то тогда будет выполняться следующая зависимость:

где α₂ - ТКС резистора R2, K_g0 - коэффициент деления при текущей температуре t=0°C. Причем соотношение (4) может быть выполнено лишь в том случае, если α₁ будет иметь знак, противоположный знаку α₂, так как всегда K_g0≤1.

На фиг.2 представлена тонкопленочная микросборка, содержащая первый делитель напряжения, выполненный на тонкопленочных резисторах R1 и R2, резистивные покрытия которых имеют различные удельные сопротивления и ТКС, различного знака, а также второй делитель напряжения R3÷R4, и резистор R5, резистивные покрытия которых выполнены из одного материала и имеют одинаковые удельные сопротивления и ТКС. Микросхема может размещаться в металлокерамическом корпусе и иметь не менее пяти контактных выводов.

На фиг.3 представлена схема дифференциального усилителя, внешние цепи которого являются цепями микросхемы фиг.2, образуя, таким образом, преобразователь температуры в напряжение с функцией преобразования:

где R₃//R₄ - сопротивление параллельного соединения резисторов R₃ и R₄. Пусть

тогда:

где K_g2(t) - коэффициент деления дополнительного делителя, составленного из резисторов R₃÷R₅, равный K_g20, так как не зависит от температуры при равных значениях ТКС этих резисторов: α₃=α₄=α₅. Выбрав K_g0=K_g20 и с учетом соотношений (7, 8) получим:

Таким образом, функция преобразования температуры в напряжение схемы, фиг.3, линейна, не содержит в качестве слагаемого в своем составе неинформационной составляющей, не зависит от ТКС остальных резисторов схемы, пропорциональна ТКС резистора R2, опорному напряжению U1. Такое устройство можно получить с применением пленочной технологии изготовления, включающей операцию подгонки, так как дискретные резисторы имеют существенный разброс основных параметров, в результате чего не может быть обеспечена высокая точность.

На фиг.4 представлена схема подключения терморезисторной микросхемы к удаленному операционному усилителю, которая при выполнении условий (7-9) обладает высоким уровнем подавления синфазной помехи, а сам усилитель обладает балансом сопротивлений по собственным входам. Причем проводники, соединяющие терморезисторную микросхему и операционный усилитель, не оказывают заметного влияния на точность преобразования. Такая конструкция позволяет сделать активный элемент устройства - операционный усилитель элементом, независимым от измеряемой (преобразуемой) температуры, и, тем самым, повысить точность преобразования.

Лабораторные образцы ТПМ были выполнены на ситалловой подложке СТ50-1-1-0,6, где были созданы методом напыления резисторы R1, R3 - R5 из резистивного материала типа кермет К-20С и резистор R2 из никелевого покрытия, которые затем подвергались термообработке в диапазоне температур 350-500°С. Испытания опытного образца полностью подтверждают заявленные преимущества преобразователя «температура - напряжение» с лабораторной ТПМ по сравнению с изделием, созданным по схеме устройства-прототипа.

Источники информации

1. Левшина B.C., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - С.265-283.

2. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. К.: Технiка, 1983. - 213 с.

3. Власов Г.С. Линейные измерительные преобразователи температуры на базе тонкопленочных элементов // Измерительная техника. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - №8. - С.39-43 (прототип - С.41, рис.4-а).

4. Пат. РФ №2133514. Способ изготовления тонкопленочного терморезистора / Г.С.Власов, А.Н.Лугин, Л.С.Проскурин, С.В.Шутенко // Опубл. 1999, бюл. №20.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а также измерительной техники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных микросборок, а более конкретно для конструирования и изготовления преобразователя температуры в напряжение электрического сигнала. В преобразователе «температура-напряжение», содержащем операционный усилитель и два резистивных делителя напряжения, выполненных по тонкопленочной технологии, выход первого из которых подключен к прямому входу операционного усилителя, выход второго делителя напряжения подключен к инверсному входу, вход первого резистивного делителя подключен к выходу источника опорного напряжения, а вход второго - к выходу операционного усилителя, делители напряжения изготавливают как отдельную микросборку, в которой между выводом подключения источника опорного напряжения и выводом подключения к инверсному входу операционного усилителя устанавливают дополнительный резистор, выполненный по единой технологии и из одного и того же материала, что и второй делитель напряжения, с сопротивлением, равным сопротивлению цепи обратной связи операционного усилителя. 4 ил.

Преобразователь «температура-напряжение», содержащий операционный усилитель и два резистивных делителя напряжения, выполненных по тонкопленочной технологии, выход первого из которых подключен к прямому входу операционного усилителя, выход второго делителя напряжения подключен к инверсному входу, вход первого резистивного делителя подключен к выходу источника опорного напряжения, а вход второго - к выходу операционного усилителя, отличающийся тем, что в преобразователе «температура-напряжение» делители напряжения изготавливают как отдельную микросборку, в которой между выводом подключения источника опорного напряжения и выводом подключения к инверсному входу операционного усилителя устанавливают дополнительный резистор, выполненный по единой технологии и из одного и того же материала, что и второй делитель напряжения, с сопротивлением, равным сопротивлению цепи обратной связи операционного усилителя.