RU2025736C1

RU2025736C1 - Temperature measuring method

Info

Publication number: RU2025736C1
Authority: RU
Inventors: Николай Тихонович Горбачук
Original assignee: Киевский технологический институт легкой промышленности
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1994-12-30

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method of magnetic compensation involves passing a current through a sensitive member, placing measuring contacts on the sensitive member and relative orientation of the sensitive member and magnetic field such that an additional voltage occurring across the measuring contacts in magnetic field owing to magnetic resistance is compensated for by Hall-effect voltage occurring across the same contacts. EFFECT: enhanced accuracy and reliability. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в преобразователях тепловых величин. The invention relates to measuring equipment and can be used in converters of thermal quantities.

Известен способ измерения температуры с помощью полупроводникового датчика температуры на основе пластически деформированной пленки германия на арсениде галлия, заключающийся в пропускании тока через чувствительный элемент и измерении падения напряжения на токовых контактах [1]. There is a method of measuring temperature using a semiconductor temperature sensor based on a plastically deformed germanium film on gallium arsenide, which consists in passing a current through a sensitive element and measuring the voltage drop across the current contacts [1].

Однако этот способ не обладает требуемой точностью при измерениях в магнитных полях из-за возникновения на измерительных контактах дополнительного изменения напряжения, связанного с эффектом магнитосопротивления. However, this method does not have the required accuracy when measuring in magnetic fields due to the occurrence of additional voltage changes at the measuring contacts associated with the magnetoresistance effect.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу является способ, в котором используются размерные эффекты в полупроводниках, заключающийся в пропускании в произвольном направлении вдоль чувствительного элемента тока, ориентировании датчика так, чтобы толщина чувствительного элемента была перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля, и последующем измерении величины напряжения на измерительных контактах [2]. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed method is a method in which dimensional effects in semiconductors are used, which consists in passing in an arbitrary direction along the current sensing element, orienting the sensor so that the thickness of the sensitive element is perpendicular to the direction of the magnetic field induction vector, and subsequent measurement of the voltage across the measuring contacts [2].

Однако и этот способ не позволяет с высокой точностью проводить измерения в магнитных полях в связи с тем, что магнитосопротивление датчика сильно возрастает с увеличением магнитных полей и при понижении температуры, поэтому резко возрастает погрешность измерений. However, this method also does not allow high-precision measurements in magnetic fields due to the fact that the magnetoresistance of the sensor increases significantly with increasing magnetic fields and with decreasing temperature, so the measurement error sharply increases.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры в магнитном поле путем компенсации влияния магнитного поля на величину измеряемого напряжения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring temperature in a magnetic field by compensating for the influence of a magnetic field on the magnitude of the measured voltage.

Цель достигается тем, что в способе, включающем ориентацию чувствительного элемента в виде прямоугольной пластины в магнитном поле, пропускание тока через чувствительный элемент вдоль его продольной оси и измерение падения напряжения на измерительных контактах, предварительно на измерительных контактах при заданной температуры определяют величины удельного сопротивления ρ, постоянной Холла
R_x = V_xd/I˙B, где V_x - напряжение, возникающее на измерительных контактах;
В - магнитная индукция;
d - толщина чувствительного элемента;
I - ток питания через чувствительный элемент, и магнитосопротивления
M = Δ ρ/ρ˙B, где Δ ρ- изменение удельного сопротивления при появлении магнитного поля, и при измерении напряжения измерительные контакты сдвигают на расстояние, равное
l = a˙Rx/ ρ˙M, где а - ширина чувствительного элемента.The goal is achieved in that in a method that includes the orientation of the sensitive element in the form of a rectangular plate in a magnetic field, passing current through the sensitive element along its longitudinal axis and measuring the voltage drop across the measurement contacts, first determine the resistivity ρ at the measurement contacts at a given temperature, Hall constant
R _x = V _x d / I˙B, where V _x is the voltage occurring at the measuring contacts;
B - magnetic induction;
d is the thickness of the sensing element;
I - supply current through the sensing element, and magnetoresistance
M = Δ ρ / ρ˙B, where Δ ρ is the change in resistivity when a magnetic field appears, and when measuring voltage, the measuring contacts are shifted by a distance equal to
l = a˙Rx / ρ˙M, where a is the width of the sensitive element.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение датчика температуры, изготовленного на основе объемного германия; на фиг.2 - то же, на основе пленок германия на арсениде галлия; на фиг.3 показана взаимная ориентация тока, магнитного поля, направления движения носителей заряда, расположения контактов при осуществлении способа измерения температуры в магнитном поле для случая положительного магнитосопротивления для полупроводника n-типа проводимости; на фиг.4 - то же, для полупроводника р-типа проводимости. In FIG. 1 is a schematic illustration of a temperature sensor made on the basis of volumetric germanium; figure 2 is the same, based on films of germanium on gallium arsenide; figure 3 shows the relative orientation of the current, magnetic field, the direction of motion of the charge carriers, the location of the contacts when implementing the method of measuring temperature in a magnetic field for the case of positive magnetoresistance for an n-type semiconductor; figure 4 is the same for a p-type semiconductor.

Для изготовления чувствительного элемента датчика температуры использованы пленки германия с удельным сопротивлением при 300 К, равным 6˙10^-4 Ом˙м. Ширина пленки а = 1˙10^-3 м, толщина d = 5˙10^-6 м.For the manufacture of the temperature sensor sensitive element, germanium films with a specific resistance at 300 K equal to 6˙10 ^-4 Ohm˙m were used. The film width a = 1˙10 ^-3 m, the thickness d = 5 d10 ^-6 m.

Для компенсации влияния магнитного поля на величину измеряемого напряжения (пропорционального температуре) в области температур жидкого гелия датчик с чувствительным элементом 1 в виде прямоугольной пластины ориентируется в магнитном поле В при Т = 4,2 К так, чтобы силовые линии поля были перпендикулярны граням, определяющим толщину пластины, и вдоль ее продольной оси пропускается ток. На измерительных контактах 3, расположенных на гранях, определяющих ширину пластины, измеряется возникающее в магнитном поле Холловское напряжение V_х и рассчитывается постоянная Холла R_x = V_xd/I˙B, которая составила величину R_x = 0,37˙10^-4 м³/Кл. Величина магнитосопротивления М = Δ ρ/ρ˙В измерялась на токовых контактах 2 и составила величину М = 0,5˙10^-2 Т^-1, измеренное удельное сопротивление при Т = 4,2 К равно 1,1˙10^-2 Ом˙м. Затем измерительные контакты сдвигают и устанавливают на расстоянии между ними вдоль граней
l =

=

= 0,73·10^-3м
Для измерения температуры проводится градуировка датчика, т.е. измеряется зависимость напряжения на измерительных контактах 3 от температуры при отсутствии магнитного поля и строится график или составляется таблица. Из табличных данных для изготовленного датчика напряжение на измерительных контактах при Т = 4,2 К равно 150,3 мВ. После ориентации датчика в магнитном поле B = 8 Т и погружении его в жидкий гелий (Т = 4,2 К) напряжение на измерительных контактах оказалось равным 150,4 мВ. Исходя из чувствительности датчика к температуре, которая определена из градуировочных данных и равна 8%/К, посчитана погрешность в определении температуры ΔТ = 0,006 К.To compensate for the influence of the magnetic field on the measured voltage (proportional to temperature) in the temperature range of liquid helium, a sensor with a sensitive element 1 in the form of a rectangular plate is oriented in a magnetic field B at T = 4.2 K so that the field lines are perpendicular to the faces defining the thickness of the plate, and a current is passed along its longitudinal axis. At the measuring contacts 3 located on the faces determining the plate width, the Hall voltage V _x occurring in the magnetic field is measured and the Hall constant R _x = V _x d / I˙B is calculated, which amounted to R _x = 0.37˙10 ^-4 m ³ / C The magnitude of the magnetoresistance M = Δ ρ / ρ˙В was measured at current contacts 2 and amounted to M = 0.5˙10 ^-2 T ^-1 , the measured resistivity at T = 4.2 K is 1.1˙10 ^-2 Ohm Um Then the measuring contacts are shifted and set at a distance between them along the faces
l =

=

= 0.73 · 10 ^-3 m
To measure the temperature, the sensor is calibrated, i.e. the dependence of the voltage at the measuring contacts 3 on temperature in the absence of a magnetic field is measured and a graph is built or a table is made. From the tabular data for the manufactured sensor, the voltage at the measuring contacts at T = 4.2 K is 150.3 mV. After the sensor was oriented in a magnetic field B = 8 T and immersed in liquid helium (T = 4.2 K), the voltage at the measuring contacts turned out to be 150.4 mV. Based on the sensitivity of the sensor to temperature, which is determined from calibration data and is equal to 8% / K, the error in determining the temperature ΔТ = 0.006 K was calculated.

Claims

METHOD OF TEMPERATURE MEASUREMENT, including the orientation of a sensitive element in the form of a rectangular plate in a magnetic field, passing current through a sensitive element along its longitudinal axis and measuring the voltage drop across the measuring contacts, characterized in that, in order to improve the accuracy of measuring temperature in a magnetic field by compensating for the effect the magnetic field by the value of the measured voltage, previously on the measuring contacts at a given temperature determine the value of resistivity ρ Hall constant
R _x = U _x d / J˙B,
where U _x is the voltage occurring at the measuring contacts;
B - magnetic induction;
d is the thickness of the sensing element;
J is the supply current through the sensing element,
and magnetoresistance
M = Δρ / ρ˙B,
where Δρ is the change in resistivity with the appearance of a magnetic field,
and when measuring voltage, the measuring contacts are shifted by a distance equal to
l = a˙R _x / ρ˙M,
where a is the width of the sensing element.