Теплоэлектронное устройство Советский патент 1981 года по МПК H01L35/02 

Изобретение относится к техничес кой физике и может быть использован в микроэлектронных устройствах частотной селекции систем управления в качестве частотнозависимого элемента-. Известны теплоэлектронные устрой ва содержащие расположенную на теплоизолирующем основании тепловую линию с истончиками тепла, объединенными во входной электротепловой преобразователь, вход которого под ключен ко входу устройства, и датчиками температуры, объединёнными в выходной теплоэлектрический преоб разователь 1 и 2. Однако на частотные свойства таких теплрэлектронных устройств оказывает влияние частотная зависимост входного теплового сопротивления теплоизолирукндего основания, описываемая гиперболическими функциями. В связи с тем, что постоянные времени входного сопротивления подложки обычно больше постоянной времени тьпловой плинии,частЬтная зависимость теплоотвсЗДа подложки в области низких частот не может быть скомпенсирована распределением H,C-V точников тепла и дат чиков температуры. Хроме того, известные устройства обладают малыми передаточными тепловыми сопротивлениями от источников тепла к датчикам температуры и значительной рассеиваемой мощностью. Наиболее близким к предлагаемому является теплоэлектронное устройство, содержа11(ее тепловую линию с источником тепла, объединенными во входной электротепловой преобразователь, вход которого подключен ко входу устройства, и датчиками температуры, объединенными в выходной теплоэлектрический преобразователь, расположенную в кармане теплоизолирующего основания. За счет малого -сечения тепловой линии увеличивается- передаточное тепловое сопротивление от источников тепла к датчикам температуры и уменьшаются энергетические соотношения 3. Однако с увеличением передаточных тепловых сопротивлений возрастает влияние теплоотвода на частотные свойства твплоэлектронного элемента и ухудшается точность получения заданных, например рациональных, передаточных функций Цель изобретения - повышение точности получения заданной частотной характеристики, а также получение передаточной функции интегратора. Поставленная цель достигается тем, что входной электротепловой преобразователь имеет дополнительный вход, а на теплоизолирующем основании расположены два теплопроводящих тела. В теплопроводящих телах расположены источники тепла, объединенные вместе в дополнительный электротепловой, преобразователь, и датчики температуры, объединенные вместе в дополнительный теплоэлектрический преобразователь. Дополнительный теплоэлектрический преобразователь имеет электрический вход, подключен ный к выходу устройства. Выход дополнительного теплоэлектрнческого преобразователя подключен к дополнительному входу, входного электротеплового преобразователя и ко входу дополнительного электротеплового преобразователя. Кроме того тепловая линия разделена на два теплопроводящих тела, причем источники тепла распределены по всей поверхности тепловой линии и по всей поверхности дополнительны теплопроводящихтел. На фиг. 1 схематически изображено теплоэлектронное устройство, вид сверху; на фиг. 2 - разрез Л-А на фиг. 1; на фиг. 3 - структурная схема включения преобразователей; на фиг. 4 - устройство с двумя теплопроводящими телами в тепловой лиНИ1Ь вид сверху; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4. Теплоэлектронное устройство содержит тепловую линию 1, расположен ную в. кармане или на поверхности те лоизолирующего основания 2. в тепловой линии расположены источники 3 и 4 тепла и датчики 5 и 6 темпера туры. На теплоизолирующем основании расположены теплопроводящие тела 7 и 8, в которых размещены источники 9 и 10 тепла и датчики температу ры 11 и 12. Теплоизолирукхчее основа ние расположено на теплоотводе 13-. Источники 3 и 4 тепла объединены во входной электротепловой преобразователь 14, который кроме основног входа 15 имеет дополнигельный вход 16. Датчики 5 и 6 температуры объед нены в выходной теплоэлектрический преобразователь 17, связанный .с вхо ным электротепловым преобразователе 14 тепловым сигналом 18 через передаточное тепловое сопротивление теп ловой линии. Источники 9 и 10 тепла объединены в дополнительный электро тепловой преобразователь 19, а датчики 11 и 12 температуры В дополнительный теплоэлектрическнй преобра зователь 20, связанный с дополнител Iным электротепловым преобразователе 19 тепловым сигналом 21 через передаточно.е тепловое сопротивление между теплопроводящими телами 7 и 8 и теплоотводом 13. Дополнительный теплоэлектрический преобразователь 20 имеет электрический вход 22, подключенный к выходу 23 устройства, к которому подключен также выход 24 выходного теплоэлектрического преобразователя 17. Выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя 20 подключен .к дополнительному входу 16 входного электротеплового преобразователя 14 и ко входу 25 дополнительного электротеплового преобразователя 19. Вход 15 входного электротеплового преобразователя 14 подключен ко входу 26 устройства. Тепловая линия может быть выполнена в виде двух теплопроводящих тел 27 и 28 (фиг. 4 и 5), расположенных на поверхности теплоизолирующего основания 29. По всей верхней поверхности тепловой линии распределены источники 30 и 31 тепла входного электротеплового преобразователя 14. На поверхности тепловой линии расположены также датчики 32 и 33 температуры выходного теплоэлектрического преобразователя 47. На теплоизолирующем основании 29 расположены также дополнительные теплопроводящие тела 34 и 35 с источниками 36 и 37 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 19 и датчиками 38 и 39 температуры до-пол ни тельного теплоэлектрического преобразователя 20. Теплоизолирующее основание 29 расположено на теплоотводе 4 О . Если коэффициент теплопроводности тепловой линии 1 намного больше коэфгЪициента теплопроводности теплоизолирующего основания 2, то в режиме гармонического сигнала тепловые процессы в тепловой линии 1 описываются дифференциальным уравнением теплопроводностиP(UBX)P(U) (1) д©-(т ьЬв-Ч n dгде Д- лапласиан; в - перепады температуры в тепловой линии 1, частота входного сигнала; ХдИЭед - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала тепловой линии; Р(Ц)()ИР{УА)-мощности источников тепла, обусловленные входным сигналом и сигналом, поступающим с выхода дополнительного теплоэлектрического преобразователя;b,- коэффициент, учитывающий теплоотдачу с поверхности тепловой линии 1. в теплоизолирующее основание 2) Sp; - поверхность источника теп в тепловой лини; 3д - толщина тепловой линии. Коэффициент Ьд связан с входны тепловым импедансом теплоизолирую щего основания 2 соотношением ( (2) где 2 - входной тепловой импедан теплоизолирующего основа V Г л объем линии. Выходное напряжение теплоэлектр ческого преобразователя 17 пред.ставляется в виде и. , где чувствительность выходног теплоэлектрического преобразовател Напряжение на выходе дополнител ного теплоэлектрического преобразо вателя при больших коэффициентах усиления дополнительного теплоэлек трического преобразователя записывается в виде .ДО) где д - коэффициент преобразовани напряжения в мощность дополнительного электротеплового преобразователя 19; 7-р(х -передаточный тепловой импеданс между источниками тепла и датчиками температуры дополнительного теплопроводящего тела 7 или 8 оо чувствительность дополнительного теплоэлектрического преобразователя 20, приведенная к электрическому входу 22. Составляющая мощности PfVij) вход ного электротеплового преобразовате ля 14 определяется с помощью выраже ния Р(ид)-идКд:1д,(5) где Ка - коэффициент усиления входного электротеплового преобразователя 14 по Еходу 1,6, Ид- коэффициент преобразования входного электротеплового преобразователя. При подстановке выраженийСз) и (4) в получаем П,и N . При подстановке (2) и (6) в ура нение (1) получаем условие компенса ции влияния теплоотвода

Формула изобретения

1. Теплоэлектронное устройство,

65 с6дер;}сащее тепловую линию с источУсловие (7) выполняется во всей частотной области, если равны отношения:тп где R-j.j и R-гд - значения Z, и тдиа нулевой частоте. Для выполнения равенства (8) следует тепловую емкость дополнительного теплопроводящего тела 7 или 8, приведенную к единице его поверхности, выбирать намного меньше аналогич ной емкости тепловой линии. Это может быть достигнуто уменьшением толщины дополнительного теплопрйводящего тела или использованием материалов с малой тепловой емкостью. Если тепловая линия выполнена в виде двух теплопроводящих тел 27 и 28, на поверхности которых распределены источники тепла 30 и 31, то решение уравнения (1) при выполнении условий (7 и (В) может быть записано в виде Р м ( СА 1-9 л V Сд и тепловая емкость дополнительного теплопроводящего тела и тепловой линии, приведенная к их поверхности. С учетом выражения (3} передаточная функция теплозлектронного устройства может быть представлена в виде передаточной функции интегратора ъш UBK Р-С где j: - постоянная времени интегрирования. Применение предлагаемого устройства позволяет исключить влияние на частотную характеристику теплоэлектронного устройства частотной зависимости теплоотвода и увеличить таким образом точность получения рациональных передаточных функций с помощью распределенных источников тепла. В результате значительно упрощается процедура синтеза сложных теплоэлектронных устройств, повышается точность получения заданных частотных характеристик, значительно упрощается задача обеспечения заданных частотных свойств при использовании теплоэлектронных устройств в перестраиваемых устройствах частотной селекции и упрощается структурная схема системы управления перестраиваемых фильтров.

{Тиками тепла, объединенными во входной электротепловой преобразователь, вход которого подключен ко входу устройства, и датчиками температуры, объединенными в выходной теплоэлектрический преобразователь, расположенную на теплоизолирующем основании, отличающееся тем, что, с целью повышения точности получения заданной частотной характеристики, входной электротепловой преобразователь имеет дополнительный вход, на теплоизолирующем основании расположены два теплопроводящих тела, в каждом из которых расположены источники тепла, объединенные вместе в дополнительный электротепловой преобразователь, и датчики температуры, объединенные вместе в дополнительный теплоэлектрческий преобразователь, причем дополнительный теплоэлектрический преобразователь имеет электрический вход, подключенный к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя подключен к дополнительному входу входного электротеплового преобразо41 J

п

Н

.вателя и ко входу дополнительного электротеплового преобразователя.

2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что, с целью получения передаточной Лунки,ии интегратора, тепловая линия разделена на два теплопроводящих тела, причем .источники тепла распределены по всей поверхности тепловой линии и по всей поверхности дополнительных теплопроводящих тел.

Источники информации, принятые во внимание-при экспертизе

1.Gray Р. R., Hami6ton 0. J. Analysis of ECectrothermaC integrated Circuits.-3EEE, J of SoCid-State Circuits, vsc-6, USA, 1971, № 1,

p. 8-1.

2.Lown W. J., Hamilton D. J., Kerwin W. J. ij nduc to r - Les s , Capacitor-Less State Var i аЬве E lee t .r mag -Fitters-., J. of SoEjd-Stat

Circuits, vsc-12. USA, 1977, № k, p. k(-k2k.

3.Авторское свидетельство СССР №568987,, кл. Н 01 L 27/12,-Г

Н 01 L 35/02, 1977 (прототип).

и 10

S.

1--4

z

-7

и

11

3S 37

(put. Ч 6-Б

га 31

J-±S

25

фиг. 5

40