Датчик температуры с частотным выходом Советский патент 1982 года по МПК G01K7/01 G01K7/16 

(54) ДАТЧИК ТЕМПЕР.АТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

1

Изобретение относится к термо.метрии.

Известен преобразователь температуры в частоту, содержащий генератор импульсов на тиристоре и терморезистор, включенный в цепь управляющего электрода тиристора 1 .

Однако такой преобразователь обладает существенным разбросом выходной характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик температуры с частотным выходом, содержащий термочувствительный элемент в виде однопереходного транзистора, выполненного на нитевидном кристалле полупроводника и включенного в схему релаксационного генератора 2 .

Частота колебаний, генерируемых релаксационным генератором в таком датчике, определяется емкостью С и резистором R в цепи генератора, а также коэффициентом деления п

„ Rt

,2 (I)

де R; и R2 - сопротивления базы один и базы два однопереходного транзистора соответственно.

Период колебаний релаксационного генератора определяется соотношением

T R-C-fn-.-oii,(2)

где UBK-T.- Напряжение включения однопереходного транзистора, определяемое через напряжение Е источника питания, коэффициент деления i и напряжение Ц на открытом эмиттерно.м переходе

+ и« .(3)

Основным недостатком датчика является малая чувствительность к изменению температуры, которая, как следует из приведенных выще соотношений, зависит от двух параметров - коэффициента деления г| и напряжения U. Температурные уходы коэффициента 1 из-за одинакового температурного коэффициента сопротивления (ТКС) баз (сопротивлений Rj и R2) крайне .малы и связаны в основном с неоднородностью 2Q материала по длине кристалла. Значение Дг обычно не превышает 0,. Температурный дрейф напряжения U также весьма мал.

Цель изобретения - повышение чувствительности датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике температуры с одйопереходным транзистором, выполненным на нитевидном кристалле полупроводника и включенным в схему релаксационного генератора, нитевидный кристалл полупроводника жестко укреплен на подложке из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, граница раздела которых совпадает с областью эмиттера однопереходного транзистора.

При этом температурный коэффициент линейного расширения одного из материалов подложки больше, а другого меньше температурного коэффициента линейного расширения полупроводника.

Повышение чувствительности датчика обеспечивается путем изменения величины коэффициента tj при изменении температуры, используя тензочувствительность нитевидного кристалла полупроводника.

На фиг. 1 представлен тер.мочувствительный элемент датчика, вид сбоку; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема релаксационного генератора.

Датчик температуры с частотным выходом содержит термочувствительный элемент в виде однопереходного транзистора 1, выполненного на нитевидном кристалле 2 полупроводника (кремния р-типа с ориентацией оси роста П1 . К нитевидному кристаллу 2 изготавливают три точечных контакта 3-5 с присоединенными электродами для включения в электрическую цепь. В средней части кристалла (точечный контакт 4) сформирован электронно-дырочный переход, образуюший область эмиттера однопереходного транзистора 1, которая разделяет кристалл на два участка: база один 6 и база два 7 однопереходного транзистора. Омические точечные контакты 3 и 5 изготовляют точечной сваркой. Электронно-дырочный переход может быть сформирован одним из известных способов, например методом диффузии, вплавления и т. д.

Питевидный кристалл 2 жестко укреплен на подложке 8 специальным клеем с большим коэффициентом передачи деформации, например, на основе стекол (ситаллы и другие) или керамик с последующим высокотемпературным отжигом.

Подложка 8 состоит из двух частей 9 и 10, образованных материалами с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). Граница 11 раздела материалов подложки 8 совпадает с местоположением среднего контакта 4, т. е. с областью эмиттера однопереходного транзистора 1. ТКЛР части 9 материала подложки 8 на максимально возможную величину меньше ТКЛР кремния. В качестве материала части 9 можно использовать. Например, кварц, ТКЛР которого равен 0,585 , а ТКЛР кремния равен 2,33 . ТКЛР части 10 материала подложки 8 выбирается на .максимально возможную величину больше ТКЛР кремния. Для части 10 можно использовать, например, эбонит, ТКЛР которого равен 84,2 .

Тыльной стороной подложки 8 датчик температуры клеем, с возможно меньшим коэффициентом передачи деформации, укрепляется на детали, температура которой подлежит контролю (не показано).

Однопереходный транзистор 1 включен в схему релаксационного.генератора с резистором R(12) и конденсатором С (13), период колебаний которого определяется соотношением (2).

Датчик температуры работает следующим образом.

При изменении температуры на ЛТ сопротивление базы один изменяется на величину

AR, t(T)-(,),-K(T), (4)

а сопротивление базы два изменяется на величину

АК2С(Г)-()(Т), (5)

гдеС (Т)-коэффициент передачи деформации от подложки 8 к нитевидному кристаллу 2, вызванной изменением температуры;

оС), о(и otj-температурные коэффициенты линейного расширения материалов подложки на участках 9 и 10 и Нитевидного кристалла 2 соответственно; - сопротивления баз один и два, т. е. участков 6 и 7 монокристаллического полупроводника кремния;

К (Т) -коэффициент тензочувствительности Нитевидного кристалла, зависящий от температуры.

Так как о((2,а оС о то ЛК, AR2. Это ведет к такому изменению величины коэффициента т| , что изменение составляющей rjE слагается с изменением U и ведет согласно (3) к значительному изменению напряжения включения Uj jПериод колебаний релаксационного генератора меняется в соответствии с изменением зависимости от величины измеряемой температуры.

Tc-R-Cln-f- - jj / ,.

В предлагаемом датчике температуры изменение величины с те.мпературой достигает до 1,3%К, что приводит к увеличению чувствительности более чем в 100 раз по сравнению с известным.

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

а Фиг. г