Датчик температуры

1СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН А 95197 С 01 К 11(20 ИЙ ЕТЕНИЯ ков АН УССРайнберг,енко 395.,В. Кюминес- Письс. 1 о44 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54)(57) 1. ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий полупроводниковый термочувствительный элемент с биполярной проводимостью, выполненный в форме пластины с асимметрично обработан-. ными широкими гранями, два омических контакта, размещенные на противоположных торцах пластины, и магнит, между полюсами которого расположена пластина, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, в него введен отреза- ющий коротковолновую часть спектра светофильтр, отделенный от термочувствительного элемента слоем прозрачг с ного диэлектрика, при этом пластина, щ диэлектрик и светофильтр находятся в тепловом контакте.1.19597 а материал светофильтра удовлетворяет условию Е (О- Е (О)т где Т 2. Датчик по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что светофильтр выполнен из полупроводника с положительным коэффициентом ширины запрещЕнной зоны, а термочувствительный элемент выполнен из полупроводника с отрицательным коэффициентом ширины запрещенной зоны.3, Датчик по и. 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, .что материал термочувствительного элемента и его толщина удовлетворяют условию41 . 12где Й - толщина термочувствительного элемента;- коэффициент поглощения вобласти собственного поглощения;1 - коэффициент поглощения закраем собственного поглоще"ния,нижняя граница заданного диапазона измеряемых температур,ширина запрещенной зоны при отрицательном коэффициенте материалов термочувствительного элемента и светофильтра соответственно; .коэффициент температурного расширения ширины запрещенной зоны материалов термочувствительного элемента и светофильтра соответственноИзобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в электроэнергетике Зкспериментальной физике и криоэнерге-.тикедля измерения и контроля температуры объектов, находящихся взоне действия сильных магнитных иэлектромагнитных полей, когда использование обычно применяемых средств,например термопар ити термосопротивлений, сопряжено со значительнымитрудностями из-за высокого уровняэлектромагнитных помех.Целью изобретения является повышение термочувствительности датчикав заданном диапазоне температурпри сохранении высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам.и использовании оптического каналавывода информации,На фиг. 1 дано схематическое изображение устройства; на фиг. 2 -спектральное распределение отрицательной люминесценции датчика приразличных температурах (7 соответствует 330 К, 8 - 350 К); на фиг. 3 температурные зависимости чувствительности различных датчиков, где9 - абсолютно черное тело, 10 -термочувствительного элемента безфильтра, 11, 12 и 13 - предлагаемогодатчика.Устройство (фиг. 1) содержит тер-,мочувствительный элемент. 2 из полу,проводниковой пластины с бицолярнойпроводимостью, асимметрично обработанными широкими гранями, двумяомическими контактами 5, светофильтр1 р 4, отделенный от термочувствительного элемента слоем прозрачногодиэлектрика 3. Датчик расположен вмагнитном поле, созданном магнитом6, и находится в тепловом контакте1 с исследуемым объектом 1, температура которого определяется.,Датчик работает следующим образомВ отсутствие внешних полей (либо2 О одного из них) из термочувствительного элемента через его верхнющгрань, имеющую малую скорость поверхностной рекомбинации, выходитравновесный поток излучения Р,25 Прн включении электрического (Е) имагнитного (Н) полей в таком направлении, чтобы под действием силы Лоренца электронно-дырочные пары дрейфовали к задней грани, имеющей большую скорость поверхностной рекомбинации, происходит перераспределениеносителей заряда по толшине пластины. При этом концентрация носителейвблизи верхней грани значительно 5уменьшаетСя и становится ниже равновесного значения и . При достаточновысоких значениях полей Е и В происходит сильное истощение полупроводника и в области верхней грани, с 1 Окоторой наблюдается излучение,пр (с а 2. При этом излучение полупроводника уменьшается по отношению кравновесному значению, в пределестремясь к нулю, у;е. максимальная 15глубина модуляции равна равновесному излучению полупроводникадР=Рп .Величина Рп зависит от температуры,задаваемой температурой исследуемого,объекта, с крторым термочувствитель- . 20ный элемент и фильтр находятся втепловом контакте., Тем самым в ра-бочем режиме достигается независимость показаний от электрических имагнитных полей. . 25 Предлагаемое техническое решение позволяет использовать для увеличения термочувствительности эффект из" менения с температурой ширины спектрального диапазона наблюдаемого30 б сигнала отрицательной люминесценции. Для этого материал термочувствительного элемента выбирается таким, чтобы п = --СО. Тогда приЙЕкдТ 35повьппении температуры длинноволновой край отрицательной люминесценции сдвигается в область большихдлин волн. Существенный рост термочувствительности имеет место,когда 40наблюдаемая спектральная полоса излучения сравнима с ее температурным . уширением. Это достигается введением,светофильтра, отрезающего коротковолновую часть спектра, иэ мате риала с 0(,70. Таким образом, приповьппении температуры наблюдаетсясущественное изменение ширины спектрального диапазона полезного сигнала за счет температурного движения 50в,разные стороны длинноволновыхграниц спектра отрицательной люминесценции и поглощения светофильтра.Отсечение светофильтром коротковолновой части излучения усиливает эф фект увеличения термочувствительности датчика за счет изменения с температурой ширины спектрального диапазона наблюдаемого сигнала отрицатель-ной люминесценции.Подбором материалов термочувствительного элемента с Е(Т)Е(О)-ЫТи светофильтра с Е (Т)Еь (О)+ЫТФ 2 аможно задавать темйературйый диапазон повьппенной чувствительности,низкотемпературная граница которогоопределяется по формулеЕЯ(О) -Е 2 (О)е ф 2Это условие следует из равенетваЕ (Т)=Е (Т). При Т (Т светофильтр стайовится полностью непрозрачным для междузонного излучениятермочувствительного элемента,Чтобы описанный принцип повышения чувствительности работал, необходимо наличие явно выраженной длинноволновой границы спектра отрицательной люминесценции. Как показали исследования, модуля" ция равновесного излучения наблюдается не только в области междузонных переходов, но и за краем собственного поглощения на внутризонных переходах. Величина равновесного излучения существенным образом зависит от толщины кристалла и коэффициента поглощения. В оптически толстых кристаллах, когда 12 Й навсех рассматриваемых частотах больше единицы, интенсивность равновесного излучения не зависит от толщины кристалла и его сплошной спектр будет определяться формулой Планка. При этом край собственного поглощения не проявляется и спектр наблюдаемого излучения не отличается от излучения черного тела с поправкой на коэффициент серости. При этом термочувствительность такого датчика практически не будет отличаться от чувствительности металлической пластинки или прототипа. Иначе обстоит дело, если выполняется условие 1 1- (сД (с, так как в этом слу 1 ачае в области междуэонных переходов пластина будет оптически толстой: 1 Й 71 1, а в области частот за краем собственного поглощения оптически тонкой: Е Й С( 1. При таком соотношенин наблюдается резкий скачок интенсивности отрицательной люминесценции на краю собственного поглощения, который сдвигается при изменении температуры.195197 6 ьсЕу Рг) 1 ИИШ аказ 7407/46 Тираж 896 исное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, у 1 роектная,11Согласно фиг. 2, заштрихованный участок под кривой 8 соответствует мощности излучения датчика при температуре Тг, двойной штриховкой показана мощность излучения при Т 1(тг При этом, видно, что увеличение спектральной мощности излучения (по оси ординат) .,Солровождается расшиЯруниЕФ .1 ЪЙк 1 Раизлучения (по осиабсцисс).,.:,ффластью повышенной термочувствителъйости (фиг. 3 ) является вся область Т ) Т. Если же есть,необ- . ходимость в особо точных измерениях, то материал фильтра подбирают так, чтобы Т была низкой к контролируемой температуре Т. П р и м е р 1. Термочувствительный элемент выполнен из 1 п БЬ, имеющего отрицательный температурный коэффициент ширины запрещенной зоны(1,)=3 10, эВ/К. В качестве светофильтра выбран СЙНр, Те с х=0,23, имеющего положительный коэффициент ширины запрещенной зоны с 2 =3, 10 ф эВ/К. Термочувствительный элемейт выполнен в виде пластины с размерами 0,5 х 0,5 х 0,001 смИссле 3дование спектра люминесценции показало наличие резкого скачка интенсивности излучения при переходе длинноволнового края собственного поглощения, Толщина светофильтра составляла 0,003 см, что обеспечивало хорошее пропускание за краем собственного поглощения и практичесЬки полную непрозрачность в областикоротких длин волн,Диэлектриком служил тонкий слойанодного окисла, выращенного на пове хности термочувствительного элемента. Анодное окисление поверхности обеспечивало малую скорость поверхностной рекомбинации (порядка10 см/с 1 на грани, с которой на О блюдается люминесценция. Противоположная широкая грань термочувствительного элемента предварительношлифовалась на мелком абразивном,порошке, что обеспечивало большуюскорость поверхностной рекомбинациипорядка О см/с.Диэлектрическая окисная пленка наповерхности термочувствителЬногоэлемента изолировала,его от светофильтра и защищала поверхность ТБЬот химического воздействия прозрачного в ИК-области клея, соединяющеготермочувствительный элемент и светофильтр и обеспечивающего тепловой 25 контакт.Для механической прочности датчикмонтировался на теплопроводящей .подложке и устанавливался на поверхность объекта, температура которого ЗО определялась. Магнитное поле Н=5 кГс. создавалось постоянными магнитами изкобальтового сплава. Сигнал люминес. ценции фиксировался фотоприемникоми поступал на отградуированное индикаторное устройство, по показаниям 35которого определялась температураисследуемого объекта,