Теплоэлектронное устройство

Союз Советскив Социалистических Республик(б 1) Дополнительное к ввт. свид-ву(22) Заявлено 09,1078 (21) 2684769/24-21с присоединением заявки йо,Н 0123/56, Н 01 Ь 35/02 Государственный конмтет СССР по делан нзобретеннй и открытий(72) Авторизобретения Н.П,Гапоненко Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова(54) ТЕПЛОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОИСТВО Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в микроэлектронных устройствах частной селекции .и в качестве времязадаюк 1 его элемента.Известно теплоэлектронное устрой - ство, содержащее теплопроводящее тело и расположенные на нем два источника. тепла, объединенные во вход;ной электротепловой преобразователь, и два датчика температуры, объединен. ные в выходной теплоэлектрический преобразователь. Теплопроводящее тело устанавливается на теплоизолирующее основание. 1.Недостаток устройства заключается в том, что его динамический диапазон при мощности, рассеиваемой в источниках тепла, 100 мВт не превышает 3040 дБ.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является теплоэлектронное устройство, содержа щее теплопроводящее основание,рбС положенное на теплоиэолирующей подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, Это теплоэлектронное. устройство за счет увеличения теплового сопротивления теплопро водящего тела и улучшения идентично-.сти параметров термочувствительных элементов позволяет уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить динамический диагазон до 40-50 дБ 2 .Однако дальнейшее расширение динамического диапазона ограничивается верхним пределом температурного диапазона работы полупроводниковых приборов и технологическими ограничениями на относительный разброс парамет ров датчиков температуры.Цель изобретения - расширение динамического диагаэона.Поставленная цель достигается засчет того, что в теплоэлектронное 20 устройство; содержащее теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолирующе 11 подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух 25 источников тепла, и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, введены дополнительный электротегловой преобразователь, состоящий из 30 источников тепла, расположенных натеглопроводящем основании попарно симметричио друг относительно друга, й дополнительный теплоэлектрический преобразователь,двадатчика которого расположены симметрично датчикам выходного теплоэлектрического преобразоваиеля, а во входной электротепловой преобтель введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход дополнительног . электротеплового преобразователя подкяючен к выходу выходного тепло- электрического преобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя под.ключен ко входу входного электротеп-. лового преобразователя, при этом теплопроводящее основание выполнено в виде рамки.На биг. 1 показано теплоэлектрон. ное устройство; на фиг. 2 - то же, разрез ; на фиг. 3 - схема включения преобразователей; на фиг, 4 - графики распределения пбстоянной составляющей Оо и первой гармоники 6 температурного поля, создаваемого в теплопооводящем теле источниками тепла входного электротеплового преобразователя.Теплоэлектронное устройство содержит теглолроводящее основание 1, размещенное на теплоизолирующей подложке 2, В теплопроввдящем основании размещены источники 3 - б тепла входного электротеплового преобразователя, источники 7 - 10 тепла дополнительного электротеплового преобразователя, датчики 11 и 12 темгератур,: выходного теплоэлектрического преобразователя и датчики 13 и 14 температуры дополнительного тепло- электрического преобразователя. Источники 3 - б тепла входного электротеплового преобразователя располо жены на теплопроводящем основании симметрично друг относительно друга. Источники 7 - 10 тепла дополнительного электротеплового преобразователя расположены на теплопроводящем основании симметрично относительно друг друга. Датчики 13 и 14 температурыдополнительного теплозлектрического преобразователя расположены симметрично датчикам 11 и 12 темпера туры теплоэлектрическо:о греобразователя. Источник 5 тепла управляется сигналом противоположной полярности по сравнению с источником 3 тепла, а полярность управляющего сигнала источника б тепла противопо ложна полярности управляющего сигнала источника 4 тегла. В случае дифференциальных источников 3 и 4 тепла полярности управляющих сигналов источников 3 и б тепла совпадают, а полярность управляющих сигналов источников 4 и 5 тепла противоположна. Источники 3 - б тепла объединены во входной электротепловой преобразователь 15. Источники7 - 10 тепла объединены в дополниТЕльный электротепловой преобразователь 16. Датчики 11 и 12 темгературы объединены в выходной теплоэлектрический преобразователь 17,адатчики 13 и 14 температуры - 1 в до.полнительный теплоэлектрическийпреобразователь 18. Выход 19 выходного теплоэлектрического преобразователя подключен ко входу дополнительного электротеплового преобразо.:вателя 16, а выход дополнительноготеплоэлектрического преобразователя18 - ко входу входного электротепло вого преобразователя 15, За счет раз,мещения источников тепла и датчиковтемпературы на одном теплопроводящем основании между преобразователями возникают тепловые связи 20 - 23.2 О Входной сигнал подключается ко Входному зажиму 24 входного электротеплового преобразователя, выходной сигнал снимается с выхода 19 выходноготеплоэлектрического греобразователя. д Координаты Х и Х 2 соответствуютцентрам источников 3 и 5 тепла илиисточников 6 и 4 тепла, Хз и Х 4центрам датчиков 11 и 13 температуры или датчиков 12 и 14 температуры, Хо - осям симметрии теплопровсдящего основания. На кривой постоянной,составляющей температурного поля 9 началу оси ординат соответ-:ствует минимальное значение постоянной составляющей температуры вдольтеплопроводящего тела То. Распределение первой гармоники О темгературного поля соответствует нулеваятемпература в начале оси ординат.При изменении входного сигнала мощ - 4 О ность, рассеиваемая источникамитепла, содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянныесоставляющие рассеиваемой мощностивсех источников тепла имеют один 4 знак, и при отсутствии теглоотводаот теплопроводящего тела составляющая температурного поля, соответствующая постоянной составляющейрассеиваемой мощности, одинаковав любой точке теплопроводялеготела. Однако наличие теглоотводачерез изолирующее основание приводит к чекоторому снижению температуры вдали от источников тепла. Первая гармоника переменной составляю- Б щей рассеиваемой мощности при противогазном изменении сигналов в источниках тепла имеет оставляющие разного знака. Если Источники тепла3 - б входного электротеплового прещообразователя управляются в порядкеочередности противофазными сигналами, то на осях симметрии теплопроводящего тела координаты Хо перваягармоника температурного поля равнанулю, а в зонах между ними первая801147гармоника температурного поля поочередно меняет знак, Если координате Х источника 3 тепла соответствует положительное значение первой гармоники температурного полято координате Х источника 5 тепла соответствует отрицательное значе 5 ние первой гармоники температурного поля. При симметричном расположении датчиков темпе;т оы на теплопроводящем основании передаточные тепловые сопротивления от различных источников тепла входного электротеплового преобразователя к датчикам температуры выходного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей, соответствующие постоянной 15 составляющей рассеиваемой мощности, в соответствии с распределением температурного поля вдоль теплопроводящего тепла имеют динаковый знак и равнь: между собой . Передаточные теп ловые сопротивления, соответствующие первой гармонике рассеиваемой мощности, равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки,Аналогичными свойствами характеризуется температурное поле, создаваемое в теплопроводящем основании источниками тепла дополнительного электротеплового преобразователя, если источники тепла управляются противогазными сигналами. При син 4 азном изменении сигналов в источниках тепла распределение первой гармоники температурного поля повторяет распределение постоянной составляющей температурного поля, и передаточные тепловые сопротивления, соответствую щие первой гармонике температурного поля, имеют одинаковый знак, В этом случае источники тепла дополнительного электротеплового преобразовате О ля могут быть попарно объединены и размещены симметрично относительно датчиков температуры на осях симметрии теплопроводящего основания,При появлении на выходах тепло- электрических преобразователей 17 и 18 постоянной составляющей напряжения, обусловленной изменением температуры окружающей среды, во входном 15 и дополнительном 16 электро- тепловых преобразователях изменяется уровень постоянной составляющей рас-. сеиваемой мощности. Через тепловые связи 20 - 23 тепловой сигнал поступает на входы теплоэлектрических преобразозателей 17 и 18, вызывая 55 изменение сигнала на выходах этих преобразователей. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры окружающей среды, может быть определено с помощью со- бО отношения3 ьь( ) дс "в" "д(1 во"ьво 1 вРдв ).б 5етстуюкоторое обеспечивается соответ щим выбором параметров преобр азоваПри изменении амплитуды входного сигнала вва в злектротеплових преобраз ателях происходит изменение посав отоянной с оставляю.еи рассеиваемой мощности, вызывающее через тепловые связи изменения выходного напряже-ния теплоэлектронного устройства. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением постоянной составляющей мощности источников тепла, входного злектротеплового преобразователя может быть определено с помощью выражения(3) д ао( во вв файв)дгде Р постоянная составляющаямощности входного электротепловогопреобразователя. При равенстве передаточных тепловво дво и выпол вых сопротивлений К ои Кнении условия (2) приращение выходных напряжений (1) и (3) равны нулю,где ЬТс- приращение температуры окруижакзцей среды;и- чувствительности входногои дополнительного теплоэлектрических преобразователей 1 и 1 - коэффициенты преобразованиявходного сигнала в постояннуюи первую гармонику мощности В и Кдв, Ьпередаточные тепловые соАпротивления тепловой связи21 к дополнительному теплоэлектрическому преобразователю от входного электротеплового преобразователядля постоянной составляющейи первой, гармоники рассеиваемой мощности;и й -передаточные тепловые сопротивления тепловой связи200 от входного злектротеплового к выходному теплоэлектрическому преобразователюдля постоянной составляющейи первой гармоннки рассеиваемой мощности;А определитель структурнойсхемы теплоэлектронного устройства.В связи с равенством передаточных тепловых сопротивлений К ия в ротивоположними знаками пе еи пин во идаточнихх тепловых сопротивлений Рми переВв у о ие исключения измененийинвыходного напряжения может бить записано в видеАналогичный вид.,имеет выражениедля выходного напряжения, возникающего поц действием постоянной составляющей мощности, рассеиваемой в источниках тепла дополнительногоэлектротеплового преобразователя.Кроме выполнения условия (2) для ра.венства нулю выходного напряжениятребуется равенство передаточныхтепловых сопротивлений для постоянной составляющей мощности от источников тепла преобразователя к датчикам температуры выходного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей, которое обеспечивается симметричным расположением источников относительно датчиков,Динамический диапазон таких устройство определяется не дрейфом напряжений под воздействием температурыокружающей среды и изменения постоянной составляющей рассеиваемой;,;ощности, а уровнем шумов электротепловых и теплоэлектрических преобразователей,При практической реализации теплоэлектронных устройств условие (2)выполняется с определенной точностью,определяющей возможность расширениядинамического апазона теплоэлектронных устройств. Выполнение условий 2) с точностью 10, которая может быть достигнута при микроэлектронном изготовлении,теплоэлектронных устройств, динамический диапазонтеплоэлектронного устройства расширяется на 20 дБ по сравнению с известными устройстваи и может достигать 60 - 70 дБ. увеличение точностивыполнения условий подавления возмущающего воздействия до 1%, котораяможет быть получена при подстройкепараметров преобразователей, расширяет динамический диапазон еще на20 дБ. Формула изобретения Теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание,расположенное на теплоизолирующейподложке, на котором расположенывходной электротепловой преобразователь, состоящий из двух источниковтепла, и выходной теплоэлектрическийпреобразователь, состоящий из двухдатчиков температуры, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона, в неговведены дополнительный электротепловой преобразователь, состоящий изистоЧников тепла, расположенных натеплопроводящем основании попарносимметрично друг относительно другаи дополнительный теплоэлектрическийпреобразователь, два датчика которого расположены симметрично датчи 70 кам выходного теплоэлектрическохопреобразователя, а во входной электротепловой преобразователь введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящемд 5 основании симметрично основным, причем вход дополнительного электротеплового преобразователя подключен квыходу выходного теплоэлектрическогопреобразователя, а выход дополнительного теплоэлектрического перобразователя подключен ко входу входногоэлектротеплового преобразователя,при этом теплопроводящее основаниевыполнено в виде рамки.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1.Сгау Р.В.,Ноа 1 акоп ОТ,Апа 11 ь 1 ьоГ Е 1 есСго 1 Ьегва 1 1 педгасед С 1 гсц 1 Ся,Д ЕЕЕ, Д . БоГ 14-Ясаке С 1 гсо 1 сь,ч.ь.с-б, Р 1, 1971, р, 8-14.40 2. Авторское свидетельство СССРУ 5 б 8987, кл. Н 01 Ь 35/02, 1977еда Подписн ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,л 10445/73 ТиражВНИИПИ Государственнопо делам изобретени 113035, Москва, Ж 795го кй и5, Р митета СССРткрытийушская наб., д.