Способ определения температуры и датчик для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано в различных областях науки и техники.

Цель изобретения является повышение точности определения температуры.

На фиг. 1 приведен датчик температуры, общий вид; на фиг. 2 - вольт-амперные характеристики датчика при различных величинах температур Т°С: 1-0; 2-15; 3-29; 4-37; 5-44; 6-51; 7-59; 8-63; 9-76; 10-84; на фиг. 3 - зависимость напряжения пробоя от температуры.

Датчик содержит полупроводниковую структуру 1 Р-типа с двумя контактами 2 и 3, выполненную в виде пластины со скощенным торцом 3, причем угол скоса торца выбирают из условия .

Способ осуществляется следующим образом.

При приложении к полупроводниковой структуре 1 напряжения отрицательной полярности происходит вытягивание собственных биполярных пар носителей заряда из объема полупроводника под действием электрического поля (контактная эксклюзия). Поле в пластине со скощенным торцом 3 распределено неоднородно, с градиентом напряженности, перпендикулярным линиям тока и монотонно возрастающим к меньшей боковой грани, приводимой в контакт с нагретым измеряемым объектом 4. При этом основная часть электрического напряжения падает в приконтактной области, вблизи тупого угла полупроводниковой структуры, в области наиболее сильного истощения полупроводника носителями заряда. На вольт-амперных характеристиках после небольшого начального линейного участка наблюдается сублинейный участок (см. фиг. 3). С ростом электрического поля наступает момент электрического пробоя р±р области полупроводника и сопротивление

сл со qD

Од

СП

полупроводника принимает свое первоначальное значение, в результате на вольт- амперной характеристике появляется участок S-типа. Момент электрического нро- боя зависит от высоты барьера р±р и концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковой пластине. Используя зависимость собственной концентрации носителей заряда и высоты барьера от температуры можно по напряжению пробоя опр- - торец. С помощью стробоскопического осциллографа С7-12 записывались вольт- амперные характеристики (ВАХ) датчика при различных температурах. На фиг. 2 представлена серия ВАХ, записанных при плавном повышении температуры. Видно, что по мере возрастания температуры, напряжения пробоя смещается в область более низких напряжений, в противоположность обратной возрастающей зависимости

ределить температуру полупроводника (фиг. 10 для р-п-перехода.

3)Предлагаемый способ измерения темпераВыполнение одного из контактов на ско- туры и датчик для его осуществления

может найти практическое применение в системах автоматического поддержания строшенпом торце позволяет точно задать место пробоя вблизи укороченной грани датчика в области Емакс (фиг.

Так как при эксклюзии вытягивание носителей происходит в условиях электронейтральности, то истощенная область может в несколько раз превышать диффузионную длину. Это приводит к тому, что

15

го определенной температуры. Небольшое изменение температуры мгновенно вызывает пробой р±р-перехода, на резко изменяющийся KjK в цепи тут же реагирует система, которая, в свою очередь, подключает систему охлаждения или стабилизации темпробой наступает при больших напряжениях, 20 пературы. При этом необходимый темпера- чем напряжения соответствующие пробою турный режим (так называемая рабочая

точка) выбирается задаваемым напряжением, приложенным к датчику.

обратносмещенного р-п-перехода. При этом расн1пряется диапазон напряжений пробоя, соответствующий тому же температурному диапазону, что и для обратносмещенного р-п-перехода. Следовательно, отклик на температурные изменения в р±р- или п+п- переходе оказывается выше, чем р-п-диода, что повышается чувствительность измерения температуры. Чувствительность в этом случае возврастает до, 500 мВ/град, а точ- до ность измерения температуры составляет величину ±0,002°С.

Пример. Для измерений температуры медного теплопровода, температура которого задавалась пропусканием тока через

Формула изобретения

1. Способ определения температуры, заключающийся в измерении напряжения пробоя полупроводникового термочувствительного элемента, находящегося в режиме контактного истощения носителями тока, и

определения температуры по величине напряжения пробоя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, полупроводниковый термочувствительный элемент помещают в неоднородное электрическое поле

нихромовую проволоку, использовался Р-гер- g с градиентом напряженности, перпендикуляр- маний с концентрацией легирующей при- ньш линиям тока и монотонно возрас- меси 2,7- 10 см Образец вырезался в тающим к грани полупроводникового термовиде скошенного прямоугольника. Длины об- чувствительного элемента, приводимой в кон- разца 1 и U составляли величину 0,45 и такт с измеряемым объектом, а контактное 0,30 см соответственно, а поперечное се- истощение полупроводникового термочувст- чение - 0,3X0,4 см. Образец травил- 40 вительного элемента проводят эксклюзией. ся в кипящей перекиси водорода, что обеспечивало минимальную вепичину скорости2. Датчик для определения температу- поверхностной рекомбинации 100 см/с. ры, содержащий полупроводниковый термо- Затем в вакууме при 600°С вплавлялись чувствительный элемент с двумя контакта- в торцы индиевые антизапорные контак- . ми, отличающийся тем, что, с целью повы- ты. После напайки проваточных контактов шения точности измерения температуры, в вся структура снова травилась в кипя- нем полупроводниковый термочувствитель- цд.ей перекиси Н2О2. Датчик закреплялся ный элемент выполнен в виде пластины клеем БФ на медном теплопроводе, рядом собственной проводимости длиной, боль- располагалась медь-константановая термо- шей диффузионной длины носителей заря- пара для контроля температуры. На обра- Q да, со скошенным торцом, на котором раз- зец подавались прямоугольные импульсы мещен один из контактов, причем угол а напряжения такой полярности, чтобы минус скоса торца выбранив соответствии с соот- напряжения прикладывался на скошенный ношением .

торец. С помощью стробоскопического осциллографа С7-12 записывались вольт- амперные характеристики (ВАХ) датчика при различных температурах. На фиг. 2 представлена серия ВАХ, записанных при плавном повышении температуры. Видно, что по мере возрастания температуры, напряжения пробоя смещается в область более низких напряжений, в противоположность обратной возрастающей зависимости

может найти практическое применение в системах автоматического поддержания стро

го определенной температуры. Небольшое изменение температуры мгновенно вызывает пробой р±р-перехода, на резко изменяющийся KjK в цепи тут же реагирует система, которая, в свою очередь, подключает систему охлаждения или стабилизации тем Формула изобретения

1. Способ определения температуры, заключающийся в измерении напряжения пробоя полупроводникового термочувствительного элемента, находящегося в режиме контактного истощения носителями тока, и

Р

Р

+

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения температуры. Способ определения температуры заключается в том, что полупроводниковый термочувствительный элемент в режиме контактного истощения эксклюзией помещают в неоднородное электрическое поле с градиентом напряженности, перпендикулярным линиям тока и монотонновозрастающим к грани, приводимой в контакт с измеряемым объектом. Используя зависимость напряжения пробоя антизапорного контакта от температуры, по градуировочной кривой определяют температуру объекта. Повышение точности измерения температуры достигается за счет использования сильной зависимости напряжения пробоя от температуры. Датчик для осуществления способа выполнен из полупроводника собственной проводимости длиной, большей диффузионной длины носителей заряда, в виде пластины со скошенным под углом α торцом, где 0*98A*98п/4. 2 C.п. ф-лы, 3 ил.

Фиг.1

Фиг. 2

Unp.B

20