Устройство для контроля теплопроводности кристаллов алмаза и алмазных изделий Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к устройствам для контроля теплопроводности твердых тел, преимущественно кристаллов алмаза и алмазных изделий..

Цель изобретения - повышение экс- прессности и возможности измерения алмазов с малыми линейными размерами (0,2 - 0,3 мм).

На фиг. 1 приведен общий вид элементов предложенного устройства; на фиг. 2 - конструктивные элементы алмазного столика ; ьа фиг. 3,- блок-схема устройства; на фиг. 4 - принципиальная схема блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя. На фиг. 5 - принципиальная схема блока стабилизации температуры микрохолодильника.

На фиг. 1 приведены конструктивные элементы предложенного устройства; теп- лоизолирующее основание 1, транзистор- нагреватель 2, являющийся одновременно датчиком температуры, алмазная подложка 3, механически связанная с транзистором- нагревателем 2, алмазный наконечник 4 со сферическим закруглением, запрессованный в теплоотвод 5, датчик температуры 6, механически связанный с теплоотводом 5, микрохолодильник 7, механически связанный с теплоотводом 5, закрепленный на радиаторе 8, связанным с устройством перемещения алмазного нчхонечника 9.

При контроле теплопроводности алмазных изделий (фиг. 2) измеряемый образец 0: размещается между алмазной подложкой 3 и алмазным наконечником со сферическим

00

g

о

00

закруглением 4. Алмазная подложка 3 соединена с теплоотводом 11 кристалла 12 мощного транзистора-нагревателя, тепло- изолирующая крышка которого 13 соединена с теплоизолирующим корпусом 1, составляющие конструктивные элементы алмазного столика.

Датчик температуры электрически связан с входом блока стабилизации температуры 14 микрохолодильника (фиг. 3). Выход блока стабилизации соединен с входом 7 микрохолодильника, выход эмиттер-база транзистора-нагревателя 2 электрически связан с входом блока стабилизации температуры 15 транзистора-нагревателя, а его выход и выход коллектор-база 2 транзи- стора-нагревателя электрически связаны с измерительным прибором .16.

Алмазный наконечник 4 и алмазная подложка 3 с целью снижения теплового сопротивления выполнены из безазотного алмаза с теплопроводностью порядка 2000 Вт/м К при ЗООК. Микрохолодильник 7 представляет собой элемент Пельтье и позволяет получать при пропускании тока заданный перепад температуры между горячей ji холодной сторонами (10-20°С). Датчик температуры 6 представляет собой транзистор типа КТ 604 с основанием из высоко- теплопроводнрй бериллиевой керамики, термочувствительным параметром которого является напряжение эмиттер-база (при свободном или замкнутом с базой коллекторе). .:.....-. .-.; - Устройство работает следующим образом. Эмиттерный ток через транзистор-нагреватель VT1 подается через резистор R1 (фиг. 4). Напряжение на коллекторе VT1 подается с выхода усилителя DD1 через эмиттерный повторитель на транзисторах VT2 и VT3 на измерительный прибор. Уровень коллекторного напряжения на транзисторе VT1, а следовательно, и температура транзистора VT1 в состоянии равновесия устанавливается с помощью потенциометра R3, с которого опорное напряжение подается на неинвертируемый вход операционного усилителя DD1. На инвертируемый вход этого усилителя (на фиг. 4 вход) подается напряжение эмиттер-база транзистора-нагревателя VT1, величина которого зависит от степени нагрева VT1, При установлении теплового равновесия в транзисторе VT1 его коллекторное напряжение будет оставаться постоянным и измеряется измерительным прибором (16 на фиг. 3).

При контакте алмазного индентора с измеряемым образцом транзистор-нагреватель VT1 начинает охлаждаться. При этом его напряжение между эмиттером и базой

увеличивается. В соответствии с этим увеличивается коллекторное напряжение VT1 до значения, при котором уходящий поток тепла компенсируется приростом мощности

рассеяния тепла на коллекторе, изменение температуры транзистора уменьшается и она устанавливается на первоначальном уровне. Прирост напряжения на коллекторе транзистора измеряется измерительным

прибором (16 на фиг. 3).

Транзистор VT4 находится в механической и тепловой связи с-теплоотводом и микрохолодильником (фиг. 5). Выход с эмиттера транзистора VT4 подключен к неинвертируемому входу усилителя DD2. Уровень задаваемой температуры микрохолодильника устанавливается с помощью потенциометра R11, с которого опорное напряжение подается на инвертируемый вход усилителя

OD2, с выхода которого через эмиттерный повторитель на транзисторах VT5 - VT7 и резистор R16 подается ток на вход микрохолодильника. При установлении теплового равновесия ток через микрохолодильник будет оставаться постоянным. При дополнительном нагреве микрохолодильника в момент опускания алмазного наконечника на образец будет измениться напряжение эмиттер-база транзистора VT4. В соответствии с этим будет изменяться величина тока через микрохолодильник до таких значений, при которых будет компенсировано изменение температуры микрохолодильнйка до первоначально установленного уровня.

при включении установки транзистор- нагреватель 2 разогревается до температуры TV а алмазный наконечник - индентор охлаждается до температуры Та. После опускания алмазного наконечника на измеряемое алмазное изделие 10 система автоматической обратной связи, состоящая из блока стабилизации температуры холодильника 14 и блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя 15,

поддерживает разность температур Та .неизменной; при этом мощность разогрева транзистора-нагревателя 2 увеличивается на величину

ДСЫэ-аДи,

1Э - ток эмиттера транзистора;

а- коэффициент передачи по току транзистора;

AU - изменение напряжения на коллек- торе транзистора, измеряемое измерительным прибором (16 на фиг. 3).

Тепловое сопротивление тракта между эмиттером транзистора-нагревателя и датчиком температуры 6 равно.

RT Нпосл + 1 /В к а -Q- ;

гдеЛТ Т1-Т2;

В - коэффициент, приблизительно равный л;

а - радиус площади контакта индентора 4 с образцом 10;

кг-теплопроводность алмазного образца 10;

Рпосл - последовательное тепловое сопротивление всех элементов тракта, за иск- лючением теплового сопротивления контакта индентора с образцом.

При неизменных величинах U, о:, АТ,а

Ва АТ/1э a Ва Rnoc/i + 1/к

или

AU

ди

А2

Ai +1//C1

откуда теплопроводность контролируемых алмазных образцов рассчитывается по формуле

к Аг/AU-Ai

Значения AI и Аа могут быть найдены из измерения AUi и AU2 для двух стандартных образцов с известной теплопроводностью /С1 И К2

AU2//C2-AUi//ci

A1AUi-AU2

А2 AlH(Ai + 1//ci).

Найденные значения AI и А2 используют для расчета теплопроводности контролируемых алмазных изделий. Измеряемые алмазные изделия должны иметь, по крайней мере, две плоскопараллельные поверхности. Измерения занимают всего несколько минут. В течение часа с учетом установки образцов может быть проконтролирована теплопроводность не менее 10 образцов.

Экспрессность измерений теплопроводности алмазных изделий с использованием предложенного устройства по сравнению с прототипом повышается более чем в 30 раз при сохранении точности измерений.

Были измерены образцы натуральных и синтетических алмазов.

Результаты приведены в таблице.

Минимальные линейные размеры об- разцов, измеряемые с использованием предлагаемого устройства, составляют порядка 0,2-0,3 мм, относительная погрешность измерений теплопроводности составляет не более 10%. Устройство можно использовать для контроля и разбраковки синтетических алмазов малых размеров, применяемых в качестве теплоотводов таких полупроводниковых приборов, как ла- винно-пролетныедиоды и полупроводниковые лазеры.

Формула изобретения Устройство для контроля теплопроводности кристаллов алмаза и алмазных изделий, содержащее алмазный наконечник со сферическим закруглением, соединенный с теплоотводом, устройство перемещения алмазного наконечника, датчики температуры, отличающееся тем, что, с целью

повышения экспрессности и возможности контроля теплопроводности алмазов малых размеров, устройство содержит транзистор-нагреватель, снабженный блоком стабилизации температуры, установленный на

теплоизолирующем корпусе и соединенный с алмазной подложкой, причем алмазный наконечник и подложка выполнены из безазотного алмаза с высокой теплопроводностью, а теплоотвод соединен с

микрохолодильником, снабженным блоком стабилизации температуры, при этом датчик температуры, контактирующий с тепло- отводом, электрически связан с входом блока стабилизации температуры микрохолодильника, выход которого соединен с входом микрохолодильника, выход Эмиттер-база транзистора-нагревателя электрически связан с входом блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя, выход которого и выход Коллектор-база транзистора электрически связаны с измерительным прибором.

Продолжение таблицы

Изобретение относится к устройствам для контроля теплопроводности твердых тел, преимущественно кристаллов алмаза и алмазных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит алмазный наконечник и алмазную подложку, выполненные из безазотного алмаза, с высокой теплопроводностью, между которыми размещается исследуемый образец. Алмазный наконечник со сферическим закруглением снабжен теплоотводом с микрохолодильником, а алмазная подложка снабжена транзистором-нагревателем и размещена на теплоизолирующем корпусе. Датчик температуры, контактирующий с теплоотводом, электрически связан с входом блока стабилизации температуры микрохолодильника, выход которого связан с входом микрохолодильника, выход эмиттер-база транзистора-нагревателя электрически связан с входом блока стабилизации температуры транзистора-нагревателя, выход которого и выход коллектор-база ; транзистора-нагревателя электрически связаны с измерительным прибором. 5 ил., 1 табл.

Фиг./

Фиг. 3

- U пит.

«Риг. 4

Фи г. 5

+ 0т,т

К ИЗМЕРИТЕЛЬНОМУ ПРИБОРУ

Выход