Теплоэлектронное устройство Советский патент 1982 года по МПК H01L35/02 H01L23/56 

(54) ТЕПЛОЭЛБКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к устройствам, преобразующим тепловые сигналы. Известно теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее тело и расположенные на нем два источника тепла, объединенные во входной электротепловой преобразователь, и два дат температуры, объединенные в вы ходной тедлоэлектрический преобразов тель, причем теплопроводящее тело установлено на теплоизолирующее основание Cl. Недостатком известного устройстваявляется малый динамический диапазон (30-40 дБ) при достаточно большой мощ ности, рассеиваемой в источниках тепла - 100 мВт. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание, расположенное на тепло изолйр тощей подложке, на котором расположены электротепловой преобразователь, состоящий из двух источ ников тепла и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры. Данное устройство за счет увеличения теплового сопротивления теплопроводящаго основания и повьшиения идентичности параметров термочувствительных элементов позволяет уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить динамический диапазон до 40-50 дБ f2j. Однако дальнейшее раси1ирение динамического диапазона ограничено верхним пределом температурного диапазона работы полупроводниковых приборов и технологическими ограничениями«на относительный разброс параметров датчиков температуры. Цель изобретения - повышение динамического диапазона работы теплоэлектронного устройства. Указанная цель достигается тем, что в теплоэлектронное устройство, (Содержащее .теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолирующей подложке, на котором расположены входной -электротепловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла и выходной теплоэлектрический преобразо.ватель, состоящий из двух датчиков температуры, введены дополнительный электротепловой преобразователь, два датчика которого расположены симметрично датчикам выходного теплоэлектрического преобразователя , а во входной электротепловой преобразователь введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании сим метрично основным, причем вход допол нительного электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя подключен к входу входного электротеплового преобразователя. На фиг. 1 показано предлагаемое теплоэлектронное устройство, вид сверху; на фиг. 2 - то же, вид сбо)ку (разрез); на фиг. 3 - схема включения преобразователей; на фиг.4 графики распределения постоянной составляющей б, и первой гармоники витемпературного поля, создаваемого в теплопроводящем теле источниками тепла входного электротепловогэ преобразователя. Теплоэлектронное устройство содер жит теплопроводящее основание 1,размещенное на теплоизолирующей подложке 2. В теплопроводящем основании 1 размещены источники З-б тепла, составляющие входной электротепловой пр образователь 7, источники 8-11 тепла составляющие дополнительный электротепловой преобразователь 12, датчики 13 и 14 температуры, составляющие вы ходной теплоэлектрический преобразователь 15 и датчики 16 и 17 температуры,- составляющие дополнительный теплоэлектрический преобразователь 18. Источники 3-6 тепла расположены симмр.тоично друг относительно друга. Источники 8-11 тепла дополнительн го электротеплового преобразователя 12 также расположены симметрично дру относительно друга. Датчики 16 и 17 температуры дополнительного теплоэлектрического преобразователя 18 расположены симметрично датчикам 13 и 14 температуры выходного теплоэлек . рического преобразователя 15. Источн 5 тепла управляется сигналом противо положной полярности по сравнению ,с источником.3 тепла, а полярность управляющего сигнала источника б теп ла противоположна полярности управляющего сигнала источника 4 тепла. В случае дифференциальных источников 3 и 4 тепла полярности управляюipix сигналов источников 3 и б тепла .совпадают, а полярность управляющих сигналов источников 4 и 5 тепла противоположна. Выход 19 выходного теплоэлектрического преобразователя 15 подключен ко входу дополнительного электротеплового преобразователя 12/ а выход дополнительного теплоэлектрического V преобразователя 18 подключен ко вход входного электротеплового преобразователя 7.За счетразмещения всех источников 3-6 и 8-11 тепла и всех датчиков 13,14, 17 температуры на одном теплопроводящем основании 1 между преобразователями 7,12,15 и 18 возникают тепловые связи 20-23.Входной сигнал подается на вход 24 входного электротеплового преобразователя 7, а выходной сигнал снимается с выхода 19 выходного теплоэлектрического преобразователя 15. На фиг. 4 координаты х и х. соответствуют центрам источников 3 и 5 или источников 6 и 4 тепла.Координаты х-з, И х соответствуют центрам датчиков 13 и 16 температуры или датчикам 14 и 17 температуры.Координаты Хр соответствуют осям cим 1eтpии тёплопроводящего основания 1. На кривой постоянной составляющей ©о температурного поля началу оси ординат соответствует минимальное значение температуры TC, вдоль теплопроводящего основания 1. Распределению первой гармоники 6у| температурного поля соответствует нулевая температура в на|Чале оси ординат. Устройство работает следующим образом. При изменении входного сигнала мощность, рассеиваемая иcтoчникa 1и тепла, содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянные составляющие рассеиваемой мощности всех источников тепла имеют один знак.При отсутствии теплоотвода от теплопроводящего оснований 1 составляющая температурного поля, соответствующая постоянной составляюгцей рассеиваемой мощности, одинакова в любой точке теплопроводящего основания 1.Однако наличие теплоотвода через теплоизолирующую подложку 2 приводит к некоторому снижению температуры вдали от источников тепла. Первая гармоника переменной составляющей рассеиваемой мощности при противофазном изменении сигналов в источниках тепла имеет составляющие разного знака. Если источники 3 , 5 , б и 4 тепла входного электротеплового преобразователя 7 управляются в порядке очередности противофазными сигналами, то на осях симметрии теплопроводящего основания 1 координаты Х0 первая гармоника б равна нулю, а в soHcix между & поочередно меняет знак. Если координате х источника 3 тепла соответствует поло кительное значение 0 , то коодинате х источника 5 тепла соответствует отрицательное значение в-) . При симметричном расположении датчиков 13, 14, 16 и 17 температуры на теплопроводящем основании 1 передаточные тепловые сопротивления от различных источников З-б тепла входного электротеплового преобразовате ля 7 к датчикам 13, 14, 16 и 17 тем пературы выходного 15 и дополнитель ного 18 теплоэлектрических преобраз вателей, соответствующие постоянной составляющей рассеиваемой мощности, в соответствии с распределением тем пературного поля вдоль теплопроводя щего основания 1 имеют одинаковый знак и равны между собой. Передаточные тепловые сопротивления,соответствующие первой гармонике рассеи ваемой мощности, равны по абсолютно величине и имеют противоположные знаки. Аналогичными свойствами характер зуется температурное поле, создавае мое в теплопроводящем основании 1 источниками 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразовате ля 12, если источники 8, 10, 9 и 11тепла управляются противофазными сигналами. При синфазном измерении сигналов в источниках 8, 10, 9 и 11 тепла распределение первой гармоник 0 температурного поля повторяет распределение постоянной составляющей 0р Температурного поля, и пере даточные тепловые сопротивления, соответствующие 9 имеют одинаковы знак. В этом случае источники 8, 9, 10 и 11 тепла дополнительного элект ротеплового преобразователя могут .- быть попарно объединены и размещены симметрично относительно датчиков 13, 14, 16 и 17 те лпературы на осях симметрии теплопроводящего основания 1. При появлении на выходах теплоэлектрических преобразователей 15 и 18 постоянной составляющей напряжения, обусловленной изменением температуры окружающей среды, во входном электротепловом 7 и дополнительном 12преобразователях изменяется уровень постоянной составляющей рассеиваемой мощности. Через тепловые связи 20-23 тепловой сигнал поступает на входы теплоэлектрических пре образователей 15 и 18, вызывая изменение сигнала на выходах этих преобразователей. Приращение выходного Напряжения, обусловленное изменением температуры окружающей среды, может быть определено с помощью соотнотиения ив,,ЛТс),,) . ewx + AUBoR.ibfeo lBi BB.) где лТр приращение температуры окружгиощей среды; чувствительность входного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей;I и I - коэффициенты преобразова ния входного сигнала в постоянную и первую гармонику мощности; R и R - передаточные тепловые сопротивления тепловой связи 21 для постоянной составлякидей и первой гармоники рассеиваемой мощности; R и R - передаточные тепловые ) Ьб сопротивления тепловой связи 20 для постоянной составляющей и первой гармоники рассеиваемой мощности;; А - определитель структурной схемы теплоэлектронного устройства. В связи с равенством передаточных тепловых сопротивлений RABJ, и Rg и противоположностью знаков пепедаточных тепловых сопротивлений Кдв-, и RpB условие исключения изменений выходного напряжения может быть записано в виде V,.e. которое обеспечивается выбором параметров преобразователей. При измерении амплитуды входного сигнала в электротепловых преобразователях 7 и 12 происходит изменение постоянной составляющей рассеиваемой мощности, вызывающее через тепловые связи 20-23 изменения выходного напряжения теплоэлектронного устройства. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением постоянной составляющей мощности источников 3, 4, 5 и 6 тепла входного электротеплового преобразователя 7 может быть определено с помощью выражения:ивь,.Рво)(Ч«АВо- вЛб .eo.bJlA- (3, где Р - постоянная составляющая ° мощности входного электрогеплового преобразователя. При равенстве RBBO и полнении условий (2J приращение выходных напряжений (.1) иСЗ) равны нулю. Аналогичный вид имеетiвыражение ля выходного напряжения, возникаюего под Действием постоянной составляющей мощности, рассеиваемой в источниках 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразоваеля 12. Кроме выполнения условия (2) для решенства нулю выходного наряжения требуется равенство передаточных тепловых сопротивлений для постоянной составляющей мощности от источников 3-6 и 8-11 тепла преобразователя к датчикам температуры выходного 15 и дополнительного 18 теплоэлектрических преобразователей, которое обеспечивается симметричным расположением источников 3-6 и 8-11 тепла относительно датчиков 13, 14, 16 и 17, Динамический диапазон устройства определяется не дрейфом выходных напряжений под воздействием температуры окружающей среды и изменением постоянной составляющей рассеиваемой мощности, а уровнем шумов электротепловых и теплоэлектрических преобразователей. При практической реализации предлагаемых теплоэлектронных устройств условие (2) выполняется с опреде,ленной точностью, определяющей возможность расширения динамического диапазона теплоэлектронных устройств Выполнение условий (2) с точностью 10% .является реальнь№1 для микроэлект роники. Динамический диапазон устрой ства расширяется на 20 дБ и достига ет 60-70 дБ. Увеличение точности выполнения условий (2) на 1% за счет подстройки парагчетров распгаряет динамический диапазон еще на 20 дБ. Формула изобретения Теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящеё основание.

5

Фи1.1 расположенное на теплоизолирующей Подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь,состоящий из,двух источников тепла и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, отличающеес я тем, что, с целью повышения динамического диапазона, в него введены дополнительный электротепловой преобразователь, два датчика которого распрложны симметрично датчикам выходного теплозлектрического 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 преобразователя подключен к входу входного электротеплового преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Gray P.R., Hamilton D.Т. Апа.lysis of Electrothermal Integrated Circuits. IEEE J. Solid State Curcuits, vol SC-6, № 1,1971, p. 8-14. 2.Авторское свидетельство СССР № 568987, кл. Н 01 L 35/02, 1977 (прототип).

2Ц

.

Фиг.З