Устройство для измерения температуры, напряженности магнитного поля и механи-ческих напряжений

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВ ЕТЕЛЬСТВУ Союз Сфеетских Социалистических Республик(22) Заявлено 0 410 78 (21) 267056 7/18-10 (51) М (л С 01 К 7/ОО 6 01 В 7/16 С 01 К 33/06 с присоединением заявки Нов(23) Приоритет Госуяарствениый оиитет СССР но делам изобретений и отрытий(088.8) Дата опубликования описания 070881(72) Автор изобретения С.П.Логвиненко Физико-технический институт низких температур АН Украинской ССР(54) УСТРОИСТВО 3 ЩЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ,НАПРЯЖЕННОСТИ МАВНИТНОГО ПОЛЯ И МЕХАНИЧЕСКИХНАПРЯЖЕНИЙ Изобретение относится к технике измерений и предназначено для локаль ного измерения магнитного. поля, температуры и механических напряжений предпочтительно в области низких температур.Известны устройства с первичными полупроводниковыйи преобразователями, позволяющими раздельно определять температуру с, напряженность магнитного поля Н и механические напряжения, например полупроводниковый термометр, .выполненный на основе полупроводникового элемента, на внешней поверхности которого сформирован защитный р-и-переход с двумя электрическими контактами 1),Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения не- электрических величин, содержащее первичные преобразователи на основе полупроводниковых чувствительных элементов, размещенные на упругом основаиии, источник питания, измерительную схему 23.Это устройство позволяет измерять температуру и механические напряжения, однако не позволяет измерять напряженность магнитного поля. Целью изобретения является локан.ное и одновременное измерение температуры, напряженности магнитного поля и механических напряжений.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве, содержащемпервичный преобразователь на основеполупроводникового чувствительногоэлемента, размещенного на упругом основании, источник тока, измерительную схему, чувствительный элементвыполнен в виде полупроводниковойпластины с чередующимися по ее толщиФне областями проводимости р, и н 1 з р-типа, причем верхняя область р-типа снабжена четырьмя крестообразнорасположенными по краям пластины контактами, соединенными с измерительной схемой, а область пластины и-ти О па снабжена одним контактом, которыйсовместно с одним из контактов области р-типа соединен с источником тока.На фиг. 1 представлен первичныйпреобразователь устройства; на фиг.2 - то же, вид сверху.В устройстве чувствительный элемент первичного преобразователя выполнен из полупроводниковой пластиньв1, в которой сформированы области 2 ЗО н 3 с проводимостью р-типа н область4 с проводимостью и-типа. Полупроводниковая пластина 1 укреплена (пайкой или клеем) на упругом основании 5 из немагнитного металла или диэлектрика. Электрическая изоляция областей 2 и 4 пластины 1 от упругого ос-нования, при выполнении его из ме-,. талла, обеспечивается р-п-переходом, образованным между областями 2 и 3 пластины 1. На внешней поверхности области 2, электрически изолированной от области 4 р-п-переходом, крестообразно расположено четыре контакта б, 7, 8 и 9. Участок области 2, ограниченный контактами б, 7, 8 и 9, является областью, чувствительной к магнитному полю, приложенному перпендикулярно поверхности области 2 (контакты 7 и 9 являются потенциальными для измерения ЭДС Холла, а контакты б и 8 - токовыми). Участок области 2, ограниченный контактами б и 8, одновременно является резистором, чувствительным к механическим напряжениям, приложенным в плоскости упругого основания 5, Участок полупроводниковой пластины 1, заключенный. между контактом 8 области 2 и контактом 10 области 4, является термодиодом, чувствительным к температуре. К контактам б, 7, 8, 9 и 10 подсоединены электрические выводы 11, Полупроводниковая пластина 1 с контактами помещена в корпус 12 из немагнитного материала и загерметизирована в нем изолятором 13 иэ компаунда. Контактами б и 10 чувствительный элемент подключен к источнику тока, а контактами б, 7, 8, 9 и 10 - к измеритбмьной схеме. (Источник тока и измерительная схема на фиг. 1 не показаны).Устройство работает следующим образом.Ток ат источника тока протекает по двум параллельным цепям; контакт б, р-п-переход, образованный областями 2 и 4 пластины 1, контакт 10; контакт б, область 2 пластины 1, контакт 8, входное сопротивление измерителя напряжения, подключенного к контактам 8 и 10, контакт 10. Измеритель напряжения входит в состав измеритель. ной схемы. Соотношение между токами в указанных цепях будет определяться соотношением сопротивления р-и-перехода и входного сопротивления измерителя напряжения. Для эффективной совместной работы термодиода и измерителя напряженности магнитного поля это соотношение следует выбирать таким образом, чтобы ток первой цепи, т.е. ток термодиода, был в пределах (10-50)10А. Протекание тока от контакта б к контакту 8 через область 2 вйэывает инжекцию носителей тока в эту область, имеющую малую толщину (2-5 мкм) и достаточно хорошо изолированную от области 4 р-п-переходом, Прикладывание магнитного поля Н в плоскости, перпендикулярной области2, приводит к появлению напряженияХолла между контактами 7 и 9, пропорционального Н, От(Н), вследствие повышения концентрации, например, 5(=электронов у контакта 7 и дырок - у )контакта 9. Напряжение О(Н) регистрируется измерительной схемой.Изменение температуры ведет к изменению тока через р-п-переход, образованный областями 2 и 4 пластины1, а следовательно, к изменению напряжения между контактами 8 и 10, величина которого пропорциональна температуре 08(с).Механические напряжения, приложен- (5 ные в плоскости упругого основания5, воздействуют на всю полупроводниковую пластину 1, в том числе и наее область 2, сопротивление которойявляется функциейэтих механических 2 О напряжений. Выбор укаэанной областив качестве тензорезистора обусловленее достаточно высоким сопротивлениемв связи с тем, что она характеризуется малой толщиной (2 5 мкм) и наличием тока между контактами б и 8.При изменении с, Н и Ъ в областиразмещения первичного преобразователя напряжения 08 , (с) 07 у (Н) иО (Ь ) изменяются. На каждую чувствительную область первичного преобразователя, т.е, на термодиод, датчикмагнитного поля и тензорезистор, одновременно воздействуют С, Н иЪ , чтообуславливает магниторезистивную итензорезистивную погрешность термодиода, температурную и тензорезистивную погрешности датчика магнитногополя и магниторезистивную и температурную погрешности тенэорезистора.Учитывая суммарное воздействие с, Н 4 О и Ъ на первичный преобразователь, егоградуировку необходимо проводить припоочередном наложении с, Н и Ь, припостоянном значении питающего тока,используя в процессе градуировки функции" О 8 (Н); Оу д (Н)Ощ фО(Н)О(с)От(с)Ов-ю(с)Ое-еФ) 3О - (Ь ) и Ое,о й ), которые хранятсяв блоке памяти, входящем в состав измерительной схемы, для взаимной коррекции измеряемых напряжений, вычисления, индикации и регистрации измеряемых величин.При выполнении чувствительногоэлемента из арсенида галлия (возможно использование и других полупровод-.никовых материалов) устройство обеспечивает: измерение температуры в интервале /1,5-,370/К, его чувствительность2 мВ/град при постоянном смещении р-и-перехода в прямом направле 60 нии; измерение напряженности магнитного поля в диапазоне (О-;5)Т при температуре (1,5-,77)К; измерение механкческих напряжений при температуре853424 Формула изобретения 1 Рб у ВНИИПИ Заказ 5621/14 Ти Подписн ктная, 4 иал ППП "Па Ужгород,Эти данные являются усредненными и могут отличаться для конкретных образцов в зависимости от использованного материала, способа крепления пластины 1 к основанию 5, площади и телщины области 2, величины питающего тока. Устройство обеспечивает одновременное и локальное измерение температуры, напряженности магнитного по-. ля и механических напряжений при использовании одного источника тока, позволяет упростить монтаж первичного преобразователя, уменьшить поверхность объекта,. занятую первичными преобразователями., что особенно актуально при исследовании криогенных систем. Устройство для измерения температуры, напряженности магнитного поля и механических напряжений, содержащее первичный преобразователь на основе полупроводникового чувствительного элемента, размещенного на упругом основании, источник тока, измерительную схему, о т л и ч а ю щ е - е с я тем, что, с целью локального и одновременного измерения температуры, напряженности магнитного поля и механических напряжений, чувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой пластины с чередующимися по ее толщине областями проводимости р, и и р-типа, причем верхняя область р-типа снабжена четырьмя крестообразно расположенными по краям пластины контактами, соединенными с измерительной схемой, а об ласть пластины и-типа снабжена однимконтактом, который совместно с одним из контактов области р-типа соединен с источником тока.Источники информации, 20 принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 544281, кл. С 01 К 7/16, 19.08.75.2. Авторское свидетельство СССРВ 536406, кл. 6 01 К 7/08, 01.08.75 5 (прототип).