RU974U1 - Датчик температуры с частотным выходом - Google Patents

Abstract

1. Датчик температуры с частотным выходом, содержащий источник постоянного магнитного поля, источник напряжения, полупроводниковый монокристалл с инжектирующим и омическим токовыми контактами на противоположных поверхностях, помещенный в пространстве магнитного поля указанного источника и подключенный контактами к источнику напряжения, отличающийся тем, что в нем в качестве материала полупроводникового монокристалла использован высокоомный кремний р-типа.

Description

ДАТЧЖ ТЕШЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНШ ШХОДОМ

Изобретение отнооитоя к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения температуры, действие которых основано на использование термочувствительных элементов.

Известны диодные и терморезистивные температурно-частотные преобразователи, содержащие терморезистор I или диод 2 , соединенные со специальной электронной схемой, преобразующей изменения параметров чувствительных термоэлементов в частоту переменного сигнала.

Недостатками таких преобразователей является нелинейность выходной характеристики, относительно невысокая чувствительность, наличие электронной схемы, определяющей сложность устройства и погрешность измерения температуры, а также зависимость показаний от импеданса линии, соединяющей чувствительный элемент с электронной схемой.

Известен датчик температуры, выбранный в качестве прототипа и содержащий кристалл германия р-типа в форме стержня длиной около 5мм, снабженный двумя торцевыми контактами и помещенный между полюсами постоянных магнитов з. В основу его работы положено явление винтовой неустойчивости (осциллисторный эффект), в котором частота генерируемых полупроводниковые кристаллом колебаний тока зависит от температуры Т (в основном за счет температурной зависимости подвижности носителей заряда) при постоянных значениях магнитной индукции В и напряжения питания If . Большое влияние на частоту колебаний оказывает состояние поверхности кристалла.

II У/

МКИ SOIK 7/00

/1/5& Г V/

джтельной экспл уатащй, обусдовденная сущестЕенным изменением состояния поверхности германия со временем 4. Через месяц после изготовления датчика на основе германия зависимость его частоты колебаний от температуры изменяется так, что отклонение от начальЕ1ьос значений составляет II % 4.

Задачей изобретения является создание датчика с повышенной чувствительностью и стабильностью показаний во времени при полностью линейной выходной характеристике в диапазоне температур - 10 -г-. +55°С.

Поставленная задача решается тем, что в датчике температуры, содержащим источник постоянного магнитного поля, в которое повлещен полупроводниковый монокристалл с инжектирующим и омическим контактами на противоположных поверхностях, подключенныкш к источнику импульсного напряжения, в качестве материала полупроводникового монокристалла использован высокоомныи кремний р-типа, состояние поверхности которого стабилизируется за счет самопроизвольного наращивания на ней слоя диоксида кремния (StO). Увеличение чувствительности датчика и линейность выходной характеристики достигается за счет более резкой температурной зависимости подвижности электронов ( п.) в кремнии по сравнению с германиеьл. Для германия jUn. ,

для кремния /JH. -. Далее изобре-тение поясняется чертежшли. На фиг. I показана конструктивная схема предполагаемого датчика со схемой ивдикации выходного сигнала. На фиг. 2 - график зависимости частоты выходного сигнала этого датчика от температуры окружающеха среды. Предг-.лагаемый датчик температуры I (фйг. I) содержит источник 2 магнитного поля, представленный в виде пары встречно ориентированных разнополюсных магнитных стержней, монокристалл 3 из высокоомного кремния р-типа, размещенный в пространстве между магнитНЫ1Ш разнополюсными стержнями источника 2, токовые инжектирующий и омический котакты 4, сформированные на противоположных поверхностях

монокристалла 3 так, что пространстЕекная ориентация контактов /Г повторяет ориентацию разнополюсных стержней источника 2 :агнитного поля. К контактшл 4 через резистор 5 подключен источник 6 иыдутгьсного налрялюния, а параллельно резистор 5 - изьзеритель частоты 7. В предлагае1.юм датчике те:.шературы монокристалл 3 имеет следующие

размеры: расстояние уежду контактами 4 состаЕЛяет 0,85 глм, а поперечное сечение - 0,8 х 1,1 мг.г. Каж.дый магнитный стержень имеет

pasfviepH 8 X 10 X 10 мм . Монокристалл 3 помещен в магнитное поле с индукцией I Тл. При этом в качестве материала постоянных магнитов образующих источник магнитного поля, использован сплав Fe-Nd-Dg обеспечивающий достаточно большое значение 1лагнитной индукции,необходимое для получения осциллисторного эффекта в креглнии в области температур выше комнатной теглпературы.

Предлагаемый датчик температуры с частотны1.5 выходом работает следующшу образом, монокристалл 3 из ВЫСОКООА-И-ЮГО кремния р-тида контактирует с окружающей средой и, следовательно, ш.юет ее те.шературу. От источника напряжения 6 на контакты 4 поступает импульс напряжения са ушлитудой 60 В, который вызывает ишкекцию электронов и дырок в йннокрясталл 3 из контактов 4. В результате в монокристалле .3 возникает электронно-дырочная плазма. Поскольку при и 60 В напряженность электрического поля Е, созданного приложенны1,5 к токовым контакта, 4 напряжением, превышает пороговое значение, зависящее от магнитной индукции В, то в монокристалле 3 возникает винтовая неустойчивость электронно-дырочной плазмы 5. При этом во внешней цепи, содержащей резистор 5 появляется переменный ток, частота которого зависит от подвижности носителей заряда в монокристалле 3 и составляет несколько сотен килогерц. Частота переменного тока с помощью резистора о определяется измерителем частоты 7. С увеш чением температуры окружающей среды подвижность носителей заряда понигшется, что приводит к уменьшению частоты колебаний тока в цепи, в которую включен кристалл 3.

59

По град1уировочному графику жнейной завиоимост Я частоты колебан Ь У от температуры t °С (фйг. 2) определяется температура. При напряжении питания предложенного датчика ZJ 60 В частота генерируемых колебаний тока изменялась от 425 до 225 кГц при изiv eнeнии температуры от -10 до +55°С, чувствительность датчика составляла 3,1 кГц/°С. В общем случае чувствительность датчика и линейность выходной характериотики определяются напряжением U и пара1 ЗетрШЛИ полупроводншсоBot плазмы. Оптимальное напряжение питания U завнсит от величины расстояния меледу токовыми контшсталш 4 полупроводникового элемента 3 и уменьшается с уменьшение этого расстояния. Неизменность показаний датчика во времени при постоянной температуре определяется стабильностью состояния поверхности полупроводникового элемента. Испытания, проводившиеся в течение года, показали высокую стабильность napai-летров полупроводникового элемента. Отклонение частоты колебаний от начальных значений не выходит за пределы погрешностей измерений, которая составляет 3 %.

Предложенный датчик температуры обладает следующими преимуществами. За счет использования яолулроводникового , изготовленного из высокоомного креь.иля р-и,ипа с удельны1л сопротивлением при комнатной тегшературе J 2 улучшается стабильность парилетров датчика во вреглени, повышается чувствительность датчиьса (3,1 кГц/°С по сравнению с прототипом - I кГц/°С) более че/л в три раза и достигается линейность выходной характеристики в заданном диапазоне температур. К;роме того, в настоящее BpeiAs 1фе1ший является наиболее технологичны 1 5атерйалом полупроводниковой электроники и для него разработаны на,дежные защ&1ты поверхности,

Источники инфор лации, использованные при составлении

Iл / / у/ V v« I ( /J f

- I98I. - J 3. - С. 241-242.

3.Бондар В.М., Срщоренко Э.А., ФсоЕлев ВоВ. Термометр на основе осциллисторного эффекта // 1ТГЗ. - ii 4. - С. 229-230 (прототип).

4.Бондар В.М,, ВладйМйрОЕ В.В., Доскоч В.II. Тензодатчик на основе осциллдсторного эффекта // ПТЗ. - I98I. - 1й 3. - С, 244-246,

5.Владимиров Б.В,, Волков А.Ф., Ыейлихов Е.З. Плазма полупроводников, -М.: Атом1/1здат, 1979. - 256с.

Л/5&

Зав.патентным отделом И.И.Госсен

Claims (1)

1. Датчик температуры с частотным выходом, содержащий источник постоянного магнитного поля, источник напряжения, полупроводниковый монокристалл с инжектирующим и омическим токовыми контактами на противоположных поверхностях, помещенный в пространстве магнитного поля указанного источника и подключенный контактами к источнику напряжения, отличающийся тем, что в нем в качестве материала полупроводникового монокристалла использован высокоомный кремний р-типа.