Теплоэлектронное устройство Советский патент 1981 года по МПК H01L23/56 H01L35/02 

1

Изобретение относится к технической физике и мо)хет быть использовано в микроэлектрон 1ых устройствах частной селекции .и в качестве времязадаю его элемента.

Известно теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводяпее тело и расположенные на нем два источника тепла, объединенные во вход дой электротепловой преобразователь и два датчика температуры, объединенные в выходной теплоэлектрический преобразователь. Теплопроводящее тело устанавливается на теплоизолирующее основание, 1.

Недостаток устройства заключается в том, что его динамический диапазон при. мощности, рассеиваемой в источниках тепла, 100 мВт не превышает 30-40 дБ.

Нс1Иболее близким к предлагаемому по технической сущности является теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание,рййположенное на теплоизолирующей подлржке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состошяий из двух источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобрлзов,тель, состояпий из двух датчиков температуры. Это теплоэлектронное. устройство за счет увеличения теплового сопротивления теплопро водя11его тела и улучшения идентично-. сти параметров термочувствительных элементов позволяет уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить динамический диапазон до 40-50 дБ 2.

Однако дальнейшее расширение диoнамического диапазона ограничивается верхним пределом температурного диапазона работы полупроводниковых приборов и технологическими ограничениями на относительный разброс парамет5ров датчиков температуры.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается за счет того, что в теплоэлектронное

0 устройство,- содержащее теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолируквдерподложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состояний из двух

5 источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоятдий из двух датчиков ff емперагуры, введены дополнительный электротегловой преобразователь, состоящий из

0 источников тепла, расположенных на

теплопроводящем основании попарно симметричй) друг отнооительно друга/. и дополнительный теплоэлектрический преобразователь, два датчика которого расположены сгимметричир датчикам выходного теплоэлектрического преобразоваиеля,аво входной электротепловой преотель введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход дополнительног-;- электротеплового преобразовател подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя под.клпчен ко входу входного электротеп лового преобразователя, при этом теплопроводящее основание выполнено в виде рамки.

На фиг, 1 показано теплоэлектронное устройство; на фиг. 2 - то же, разрез ; на фиг. 3 - схема включения преобразователей; на фиг. 4 - графики распределения постоянной составляющей &Q и первой гармоники в температурного поля, создаваемого в теплопроводящем теле источниками тепла входного электротеплового преобррзователя.

Теплоэлектройное устройство содер-жит те 1лопроводя чее основание 1, размещенное на теплоизолирующей -подложке 2. В теплопров«)ДЯ1(ем основании размещены источники 3-6 тепла входного электротеплового преобразователя, источники 7-10 тепла дополнительного электротеплового преобразователя, датчики 11 и 12 температуры выходного теплоэлектрического преобразователя и датчики 13 и 14 температуры дополнительного теплоэлектрического преобразователя. Источники 3-6 тепла входного электротеплового преобразователя располжены на теплопроводящем основании си /1метрично друг относительно друга Источники 7-10 тепла дополнительного электротеплового преобразователя расположены на теплопроводящем основании симметрично относительно друг друга. Датчики 13 и 14 температуры дополнительного теплоэлектрического преобразователя расположены симметрично датчикам 11 и 12 темпер туры теплоэлектрическою преобразователя. Источник 5 тепла управляется сигналом противоположной полярности по сравнению с источником 3 тепла, а полярность управля ощего сигнала источника 6 тепла противоположна полярности управля;Ю1г(его сигнала источника 4 тепла. В случае диЛ(еренциальных источников 3 и 4 тепла полярности управляющих сигналов источников 3 и 6 тепла совпадают, а полярность управляетгцих сигналов источников 4 и 5 тепла противоположна. Источники 3-6 тепла

объединены во входной электротепловой преобразователь 15. Источники 7-10 тепла объединены в дополнительный электротепловой преобразователь 16. Датчики 11 и 12 температуры объединены в выходной теплоэлектрический преобразователь 17., а датчики 13 и 14 температуры --в догполнительный теплоэлектрический преобразователь 18. Выход 19 выходного теплоэлектрического преобразователя подключен ко входу дополнительного электротеплового преобразо-.вателя 16, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя 18 - ко входу входного электротеплового преобразователя 15. За счет раз-, мещения источников тепла и датчиков температуры на одном теплопроводятем основании ме.чоду преобразователямивозникают тепловые связи 20 - 23. Входной сигнал подклк1чается ко Входному зажиму 24 входного электротеплового преобразователя, выходной сигнал снимается с выхода 19 выходного теплоэлектрического преобразователя.

Координаты Х и Х2 соответствуют центрам источников 3 и 5 тепла или источников б и 4 тепла, Х и Х центрам датчиков 11 и 13 температуры или датчиков 12 и 14 температуры, Хр - осям симметрии теплопроводящего основания. На кривой постоянной составляющей температурного поля GO началу оси ординат соответ- ствует минимальное значение постоянной составляющей температуры вдоль теплопроводящего тела TQ. Распределение первой гармоники © температурного поля соответствует нулевая температура в начале оси ординат. При изменении входного сигнала мощность, рассеиваемая источниками тепла, содержит постоянную и пере менную составляющие. Постоянные составляющие рассеиваемой мощности всех источников тепла имеют один знак, и при отсутствии теплоотвода от теплопроводящего тела составляющая температурного поля, соответствующая постоянной составляющей рассеиваемой мощности, одинакова в любой точке теплопроводящего тела. Однако наличие теплоотвода через изолирующее основание приводит к некоторому снижению температуры вдали от источников тепла. Первая гармоника переменной составляющей рассеиваемой мощности при противофазном изменении сигналов в источниках тепла имеет (-оставляющие разного знака. Если источники тепла 3-6 входного эЛектротеплового преобразователя управляются в порядке очередности противофазными сигналами, то на осях симметрии теплопроводящего тела координаты Х,, первая гармоника температурного поля равна j нулю, а в зонах между ними первая гармоника температурного поля поочередно меняет знак. Если координа те Х источника 3 тепла соответствует положительное значение первой гармоники температурного поля, то координате Xjj источника 5 тепла соответствует отрицательное значение первой гармоники температурног поля. При симметричном расположени датчиков TBMnei j.TVDH на теплопрово дяпем основании передаточные тепловые сопротивления от различных ис точников тепла входного электротеплового преобразователя к датчикам температуры выходного и дополнитель ного теплоэлектрических преобразова телей, соответствующие постоянной составляющей рассеиваемой MOITHOCTH в соответствии с распределением тем .пературного поля вдоль теплопроводя щего тепла имеют динаковый знак и равны между собой. Передаточные теп ловые сопротивления, соответствующие первой гармонике рассеиваемой мощности, равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки. Аналогичными свойствами характеризуется температурное поле, создаваемое в теплопроводящем основании источниками тепла дополнительного электротеплового преобразователя, если источники тепла управляются пр тивоЛазными сигналами. При синфазно изменении сигналов в источниках теп ла распределение первой гармоники температурного поля повторяет распределение постоянной составляющей температурного поля, и передаточные тепловые сопротивления, соответствую щие первой гармонике температурного поля, имеют одинаковый знак. В этом случае источники тепла дополнительного злектротеплового преобразователя мргут быть попарно объединены и размещены симметрично относительно датчиков температуры на осях симметрии теплопроводящего основания. При появлении на выходах теплоэлектричёских преобразователей 17 и 18 постоянной составляющей напряусения, обусловленной изменением температуры окружающей среды, во входном 15 и дополнительном 16 электротепловых преобразователях изменяется уровень постоянной составляющей рассеиваемой мощности. Через тепловые связи 20 - 23 тепловой сигнал поступает на входы теплоэлектрических преобраэойателей 17 и 18, вызывая изменение сигнала на выходах этих преобразователей. Приращение выходно го напряжения, обусловленное изменением температуры окружающей среды, может быть определено с п-омощью соотношения),,,.,,).. (1..1Ч.01 -, . 1IA (1) где.лТс- приращение температуры окружающей среды; и - чувствительности входного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей; IgjjHlg - коэффициенты преобразования входного сигнала в постоянную и первую гармонику мощности; R и R -передаточные тепловые соАВО А противления тепловой связи 21 к дополнительному теплоэлектрическому преобразователю от входного электротеплового преобразователя для постоянной составляющей и первой, гармоники рассеиваемой мощности; и R -передаточные тепловые со противления тепловой связи 20 от входного электротеплового к выходному теплоэлектрическому преобразователю для постоянной составляющей и первой гармоники рассеиваемой мощности; А - определитель структурной схемы теплоэлектронного устройства. В связи с равенством передаточных тепловых сопротивленийR gp и Rggj., и противоположными знаками передаточных тепловых сопротивлений RBBI условие исключения .изменений выходного напряжения быть заисано в виде (2) оторое обеспечивается соответстуюим выбором параметров преобразоваелей . При изменении амплитуды входного игнала в электротепловых преобразоателях происходит изменение посоянной составляющей рассеиваемой ощности, вызывающее через тепловые вязи изменения выходного напряжеия теплоэлектронного устройства. риращение выходного напряжения, бусловленное изменением постоянной ставляющей мощности источников пла, входного электротеплового еобразователя может быть определес помощью выражения иБЬи(Рьо)--Рво В )(Гво АВО-1в1КлВ1) (3) А Aftot Bo BBo ы )i А е Рдц - постоянная составляющая щности входного электротеплового еобразователя. При равенстве передаточных теплох сопротивлений выполнии условия (2) приращение выходх напряжений (1) и (3) равнрл нулю.

Аналогичный BHfl.jiMeeT выражение для выходного напряжения, возникатапе го под действием постоянной составляющей мощности, рассеиваемой в источниках тепла дополнительного электротеплового преобразователя. Кроме выполнения условия (2) для равенства нулю выходного напряжения требуется равенство передаточных тепловых сопротивлений для постоянной составлягачей мощности от источникса тепла преобразователя к датчикам температуры выходного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей, которое обеспечивается симметричным расположением.источников относительно датчикЬв,

Динаргический диапазон таких, устройство определяется не дрейфом нап жениП под воздействием температуры окружающей среды и изменения постоянной составляющей рассеиваемой ;- О цности, а уровнем шумов электротепловых и теплоэлектрических преобразователей.

При практической реализации теплоэлектронных устройств условие (2) выполняется с определенной точностью определяющей возможность, расширения динамическ,ого .лиапазона теплоэлектронных устройств. Выполнение условий (2 ) с точностью 10%, которая может быть достигнута при микроэлектронном изготовлении -теплоэлектронных устройств, динa шчecкий диапазон теплоэлектронного устройства расширяется на 20 дБ по сравнению с известными устройствами и может достигать 60 - 70 дБ. Увеличение точности выполнения условий подавления возмущаю1цего воздействия до 1%, которая может быть получена при подстройке параметров преобразователей, расширяет динамический диапазон еще на 20 дБ.

Формула изобретения

Теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолирующей подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, отличающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, в него введены дополнительный электротепловой преобразователь, состоящий ,из источников тепла, расположенных на теплопроводящам основании попарно симметрично друг относительно друга и дополнительный теплоэлектрический преобразователь, два д,атчика которого располох ены симметрично датчикам выходного теплоэлектрическоого преобразователя, а во входной электротепловой преобразователь введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход дополнительного электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического перобразователя подключен ко входу входного электротеплового преобразователя, при этом теплопроводящее основание выполнено в виде рамки.

Источники информации, при(1ятые во внимание при экспертизе

l.Gray P.R. ,Homi I ton D.Т,Anal isis of Electrothermal Integrated Circuits ., 3. SoEid-State Circuits, v . s . с - 6 , № 1 , 1971, p . 8 - 1 if .

2. Авторское свидетельство СССР № 568987, кл. Н 01 L 35/02, 1977 (прототип .

.f

- / // y / ,/

X f

/2

L/

/л

24

15

13