NL8800556A

NL8800556A - Inrichting bevattende een temperatuursensor.

Info

Publication number: NL8800556A
Application number: NL8800556A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-03-07
Filing date: 1988-03-07
Publication date: 1989-10-02
Also published as: DE68902155T2; JPH01270625A; EP0332251A1; US4943559A; DE68902155D1; EP0332251B1

Description

*_ PHN 12456 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inrichting bevattende een temperatuursensor.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting bevattende een sensor voor het produceren van een temperatuurafhankelijk elektrisch signaal.

Een dergelijke inrichting kan toegepast worden voor het 5 meten en/of regelen van de temperatuur in een ruimte. De uitvinding heeft tot doel, een inrichting te verschaffen, die in het bijzonder geschikt is voor toepassing bij betrekkelijk lage temperaturen, waarbij sommige materialen supergeleidend zijn.

De inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het 10 kenmerk, dat de sensor een dunne laag materiaal bevat, waarvan de samenstelling over de laagdikte geleidelijk varieert, welk materiaal supergeleidend is beneden een kritische temperatuur, waarvan de waarde afhangt van de samenstelling van het materiaal, welke laag via elektroden elektrisch verbonden is met een elektronische schakeling 15 voor het toevoeren van stroom aan de sensor en het verwerken van het door de sensor geproduceerde signaal. Voorbeelden van supergeleidende materialen die in dunne lagen met een over de laagdikte geleidelijk veranderende samenstelling kunnen worden verkregen en werkwijzen voor het verkrijgen van zulke materialen zijn beschreven in de oudere 20 Nederlandse octrooiaanvrage 8701788 (PHN 12209). Doordat de samenstelling van de laag over zijn dikte varieert zal bij een gegeven temperatuur de laag over een gedeelte van zijn dikte supergeleidend zijn. Vanneer de temperatuur verder daalt, neemt de dikte van deze supergeleidende laag toe. Aangezien de kritische stroomsterkte, waarbij 25 de supergeleidende toestand wordt opgeheven, evenredig is met de dikte van de supergeleidende laag, is deze stroomsterkte een maat voor de temperaturen van de sensor. Met de inrichting volgens de uitvinding is het mogelijk, deze kritische stroomsterkte te meten of een van de kritische stroomsterkte afhankelijk signaal te genereren, dat een 30 inrichting voor het beïnvloeden van de temperatuur bestuurt.

Een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, waarmee de temperatuur van de sensor gemeten kan worden, 8800556 if 4 PHN 12456 2 heeft het kenmerk, dat de elektronische schakeling een regelbare stroombron bevat alsmede een meetschakeling voor het meten van de elektrische spanning tussen de sensorelektroden en voor het toevoeren van een stuursignaal aan de stroombron, een en ander zodanig, 5 dat de door de stroombron geleverde stroom toeneemt, wanneer de gemeten spanning gelijk is aan nul en afneemt, wanneer de gemeten spanning groter is dan nul.

Een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, waarmee de temperatuur in een gekoelde ruimte op een 10 tevoren bepaalde waarde gehouden kan worden, heeft het kenmerk, dat de elektronische schakeling een stroombron bevat alsmede een meetschakeling voor het meten van de elektrische spanning tussen de sensorelektroden en voor het toevoeren van een stuursignaal aan een verwarmingsschakeling die een verwarmingselement bevat, dat samen 15 met de sensor in een gekoelde ruimte is ondergebracht, welk stuursignaal bewerkt, dat een elektrische stroom wordt toegevoerd aan het verwarmingselement, wanneer de gemeten spanning gelijk is aan nul en dat het verwarmingselement uitgeschakeld is, wanneer de gemeten spanning groter is dan nul. Onder een gekoelde ruimte wordt in dit verband een 20 ruimte verstaan, die in thermisch kontakt is met een systeem dat warmte aan die ruimte onttrekt.

Een verdere uitvoeringsvorm, waarbij geen aparte schakeling nodig is om stroom voor het verwarmingselement te produceren, heeft het kenmerk, dat het verwarmingselement met de stroombron 25 en de sensor in serie geschakeld is, waarbij de stroombron deel uitmaakt van zowel de elektronische schakeling als de verwarmingsschakeling.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin is

Fig. 1 een dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvoorbeeld 30 van een voor de inrichting volgens de uitvinding geschikte sensor,

Fig. 2 een grafische weergave van een mogelijke variatie van de materiaalsamenstelling als functie van de plaats in een laag van de in fig. 1 afgeheelde sensor,

Fig. 3 een grafische weergave van een mogelijk verband 35 tussen de kritische temperatuur en de materiaalsamenstelling in de in fig. 1 afgeheelde sensor,

Fig. 4 een grafische weergave van een mogelijk verband .8800556 :S- ;* PHN 12456 3 tussen de kritische stroomsterkte en de temperatuur van de in fig. 1 afgeheelde sensor,

Fig. 5 een blokschema van een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding, 5 Fig. 6 een blokschema van een tweede uitvoeringsvoorbeeld, en

Fig. 7 een blokschema van een derde uitvoeringsvoorbeeld.

De in figuur 1 schematisch weergegeven sensor bevat een substraat 1, bijvoorbeeld van saffier (aluminiumoxide), waarop door 10 middel van opdampen een uit LaMeCuO^ bestaande laag 3 is aangebracht, waarin Me is gekozen uit Ca, Sr en Ba. Hierop is eveneens door opdampen een uit I^CuO^ bestaande laag 5 aangebracht. Zoals in de reeds genoemde oudere Nederlandse octrooiaanvrage 8701788 (PHN 12209) is beschreven, is door verhitting van het zo gevormde samenstel 15 een vaste-stof diffusiereactie uitgevoerd, waarbij tussen de beide lagen 3 en 5 een laag 7 gevormd is met de samenstelling La2_xMexCuO^, waarin x van boven naar beneden geleidelijk toeneemt van 0 tot 1.

Het mogelijke verloop van x als functie van de afstand t tot het bovenvlak van de laag 7 is in figuur 2 grafisch weergegeven.

20 De lagen zijn vervolgens aan twee tegenoverliggende einden schuin afgeslepen om de middelste laag 7 toegankelijk te maken.

Op de zo ontstane schuine vlakken zijn door opdampen goudelektroden 9 aangebracht, waaraan op een bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen gebruikelijke wijze aansluitdraden (niet getekend) 25 bevestigd kunnen worden. Uiteraard is het ook mogelijk, de middelste laag 7 op een andere wijze toegankelijk te maken voor het aanbrengen van de elektroden 9, bijvoorbeeld door in de bovenste laag 5 krassen te maken.

De laag 7 heeft beneden een bepaalde temperatuur 30 supergeleidende eigenschappen. Deze kritische temperatuur Tc hangt af van de samenstelling van de laag en dus van de waarde van x. In figuur 3 is de variatie van Tc als functie van x weergegeven voor het geval dat voor het metaal Me strontium gekozen is. In dat geval heeft Tc maximaal een waarde van ongeveer 40 K voor x = 0,2. Voor andere waarden 35 van x is Tc lager. Aangezien x over de dikte van de laag 7 geleidelijk verloopt, zoals in fig. 2 is aangegeven, is bij 40 K slechts een zeer dun gedeelte van de laag 7 supergeleidend. Naarmate de temperatuur lager .8800556 i t? PHN 12456 4 wordt, neemt de dikte van het supergeleidende gedeelte toe aangezien dan ook delen waar x enigszins van 0,2 afwijkt supergeleidend worden.

De maximale stroom die een supergeleidende laag kan voeren zonder zijn supergeleidende eigenschappen te verliezen hangt af 5 van de dikte van die laag. Wanneer, zoals hierboven beschreven is, de dikte van de supergeleidende laag toeneemt met afnemende temperatuur, neemt dus ook de waarde van deze kritische stroomsterkte toe. Het verloop van de kritische stroomsterkte Ic als functie van de temperatuur T is in figuur 4 grafisch weergegeven. Door de kritische 10 stroom van de beschreven sensor te meten kan men dus de temperatuur van de sensor en daarmee de temperatuur bepalen van bijvoorbeeld een ruimte, waarin de sensor zich bevindt, of een voorwerp, waarmee de sensor in thermisch kontakt is.

Het precieze verloop van Ic als functie van T hangt 15 uiteraard af van de materialen, waaruit de sensor vervaardigd is en van de details van het vervaardigingsproces. Voorbeelden van verschillende bruikbare verbindingen en werkwijzen voor de vervaardiging zijn beschreven in de genoemde oudere Nederlandse octrooiaanvrage 8701788 (PHN 12209).

20 Fig. 5 toont een blokschema van een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting voor het meten van de temperatuur door het bepalen van de kritische stroomsterkte van een sensor van het in fig. 1 getoonde type. De sensor 11 bevindt zich in een met een streep-stip lijn aangeduide ruimte 13 waarvan de temperatuur gemeten moet worden. De 25 elektroden 9 van de sensor 11 zijn verbonden met een elektronische schakeling die een regelbare stroombron 14 bevat voor het toevoeren van stroom aan de sensor, alsmede een meetschakeling 15 voor het meten van de spanning tussen de elektroden. Zoals met de onderbroken lijn 17 is aangegeven, geeft de meetschakeling 15 een stuursignaal af, dat de 30 stroombron 14 regelt. De meetschakeling 15 kan bijvoorbeeld een drempeldiscriminator bevatten, die een eerste spanning afgeeft, wanneer de spanning tussen de elektroden 9 groter is dan nul en die een tweede spanning afgeeft, wanneer de spanning over de elektroden gelijk is aan nul. De stroombron 14 is zo ingericht, dat in het eerstgenoemde geval de 35 geleverde stroom afneemt en in het tweede geval de stroom toeneemt. De stroom stelt zich daardoor zo in, dat de laag 7 van de sensor 11 voortdurend tussen de supergeleidende en de niet-supergeleidende .8800556 3 > PHN 12456 5 toestand schommelt. Dat wil zeggen, dat de ingestelde stroom nagenoeg gelijk is aan de kritische stroom Ic. Uit de bij de desbetreffende sensor 11 behorende grafiek van het in fig. 4 getoonde type kan dan de temperatuur van de sensor 11 en dus van de ruimte 13 worden afgelezen.

5 De stroom kan worden afgelezen op een stroommeter 19 die in serie geschakeld is met de stroombron 14 en de sensor 11 en die bij voorkeur in temperatuur-eenheden geijkt is zodat de omrekening via de grafiek van fig. 4 niet meer nodig is.

Fig. 6 toont een blokschema van een eerste 10 uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting voor het regelen van de temperatuur met behulp van een sensor van het in fig. 1 getoonde type.

De sensor 11 bevindt zich ook in dit geval in een met een streep-stip lijn aangegeven ruimte 13 die gekoeld wordt, bijvoorbeeld doordat hij zich in een met vloeibare stikstof gevulde cryostaat (niet getekend) 15 bevindt. De elektroden 9 van de sensor 11 zijn verbonden met een elektronische schakeling die enerzijds een tevoren ingestelde stroombron 21 voor het toevoeren van stroom aan de sensor bevat en anderzijds een meetschakeling 23 die van ongeveer hetzelfde type kan zijn als de in de inrichting volgens fig. 5 toegepaste meetschakeling 15. In de ruimte 13 20 bevindt zich behalve de sensor 11 een verwarmingselement 25 (bijvoorbeeld een weerstand) dat deel uitmaakt van een verwarmingsschakeling die verder een spanningsbron 27 en een schakelaar 29 bevat. De meetschakeling 23 produceert een stuursignaal dat, zoals met de onderbroken lijn 31 schematisch is aangeduid, de schakelaar 29, 25 die bijvoorbeeld een transistor kan zijn, bestuurt. Wanneer de spanning tussen de elektroden 9 van de sensor 11 gelijk is aan nul geeft de meetschakeling 23 een eerste stuursignaal af, dat de schakelaar 29 sluit, zodat de spanningsbron 27 een elektrische stroom aan het verwarmingselement 25 levert, waardoor de ruimte 13 wordt opgewarmd. De 30 sensor 11 volgt de temperatuur van de ruimte 13 en de daardoor komt de laag 7 in de niet-supergeleidende toestand, wanneer de temperatuur gestegen is tot een waarde waarbij de kritische stroomsterkte Ic overeenkomt met de tevoren ingestelde stroomsterkte van de stroombron 21. De spanning tussen de elektroden 9 wordt dan groter dan nul en de 35 meetschakeling 23 geeft een tweede stuursignaal af, dat de schakelaar 29 opent, zodat het verwarmingselement 25 uitgeschakeld wordt. Dank zij de koeling daalt vervolgens de temperatuur in de ruimte 13 weer totdat de 8800556 ς Κ ΡΗΝ 12456 6 laag 7 van de sensor 11 weer in de supergeleidende toestand komt. De temperatuur van de ruimte 13 schommelt derhalve rond een waarde die bepaald wordt door de grootte van de door de stroombron 21 geleverde stroom. Door de stroombron 21 anders in te stellen kan men dus de 5 temperatuur van de ruimte 13 veranderen.

Fig. 7 toont een blokschema van een tweede, vereenvoudigd, uitvoeringsvoorbeeld voor het regelen van de temperatuur met behulp van een sensor van het in fig. 1 getoonde type. De sensor 11 bevindt zich weer in een met een streep-stip lijn aangegeven, gekoelde 10 ruimte 13. De elektroden 9 van de sensor 11 zijn verbonden met een elektronische schakeling. Deze bevat enerzijds de tevoren ingestelde stroombron 21 en het eveneens in de ruimte 13 ondergebrachte verwarmingselement 25, welke in dit geval met de sensor in serie geschakeld zijn. Anderzijds bevat de elektronische schakeling de 15 meetschakeling 23 die de spanning tussen de elektroden 9 meet en een van die spanning afhankelijk stuursignaal produceert, dat een parallel met het verwarmingselement geschakelde schakelaar 33 bedient, zoals met de onderbroken lijn 31 is aangegeven. In dit uitvoeringsvoorbeeld zijn de meetschakeling 23 en de schakelaar 33 zo ingericht, dat de schakelaar 20 gesloten is, wanneer de spanning tussen de elektroden 9 groter is dan nul, terwijl de schakelaar open is wanneer deze spanning gelijk is aan nul. Hierdoor wordt bereikt, dat de door de stroombron 21 geleverde stroom door het verwarmingselement 25 gaat wanneer de laag 7 van de sensor 11 supergeleidend is en dat het verwarmingselement 25 door de 25 schakelaar 33 kortgesloten is, wanneer deze laag niet supergeleidend is. De temperatuur van de ruimte 13 stelt zich daardoor weer zo in, dat de temperatuur van de laag 7 schommelt rond een waarde die behoort bij een kritische stroomsterkte Ic die nagenoeg gelijk is aan de door de stroombron 21 geleverde stroomsterkte. Het resultaat is dus hetzelfde 30 als in het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 6, maar de inrichting is eenvoudiger doordat de aparte spanningsbron 27 voor het voeden van het verwarmingselement 25 vervallen is. Zijn functie is overgenoraen door de stroombron 21 die in dit geval dus deel uitmaakt van zowel de elektronische schakeling als de verwarmingsschakeling.

c 8800556

Claims

1. Inrichting bevattende een sensor (11) voor het produceren van een temperatuurafhankelijk elektrisch signaal, met het kenmerk, dat de sensor (11) een dunne laag materiaal (7) bevat, waarvan de samenstelling over de laagdikte geleidelijk varieert, welk materiaal 5 supergeleidend is beneden een kritische temperatuur, waarvan de waarde afhangt van de samenstelling van het materiaal, welke laag via elektroden (9) elektrisch verbonden is met een elektronische schakeling voor het toevoeren van stroom aan de sensor en het verwerken van het door de sensor geproduceerde signaal.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektronische schakeling een regelbare stroombron (14) bevat alsmede een aeetschakeling (15) voor het meten van de elektrische spanning tussen de sensorelektroden (9) en voor het toevoeren van een stuursignaal aan de stroombron, een en ander zodanig, dat de door de 15 stroombron geleverde stroom toeneemt, wanneer de gemeten spanning gelijk is aan nul en afneemt, wanneer de gemeten spanning groter is dan nul.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektronische schakeling een stroombron (21) bevat alsmede een meetschakeling (23) voor het meten van de elektrische spanning tussen de 20 sensorelektroden (9) en voor het toevoeren van een stuursignaal aan een verwarmingsschakeling die een verwarmingselement (25) bevat, dat samen met de sensor (11) in een gekoelde ruimte (13) is ondergebracht, welk stuursignaal bewerkt, dat een elektrische stroom wordt toegevoerd aan het verwarmingselement, wanneer de gemeten spanning gelijk is aan nul en 25 dat het verwarmingselement uitgeschakeld is, wanneer de gemeten spanning groter is dan nul.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het verwarmingselement (25) met de stroombron (21) en de sensor (11) in serie geschakeld is, waarbij de stroombron deel uitmaakt van zowel de 30 elektronische schakeling als de verwarmingsschakeling. .8800555