Теплоэлектронное устройство

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 1974464 л.фс,.,.(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 09.11.78 (21) 2684769/18-21 1511 М. Кп. з с присоединением заявки М Н 01 , 35/02 Н 01 1, 23/56 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 15.1181. Бюллетень М 42 Дата опубликования описания 15.11.82 л л(72) Авторизобретения Н.П.Гапоненко л 3 Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова(54) ТЕПЛОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к устройствам, преобразующим тепловые сигналые5Известно теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее тело и расположенные на нем два источника тепла, объединенные во входной электротепловой преобразователь, и два дат чика температуры, объединенные в вы,ходной теплоэлектрический преобразователь, причем теплопроводящее тела установлено на теплоизолирующее основание 1.Недостатком известного устройства является малый динамический диапазон (30-40 дБ) при достаточно большой мощности, рассеиваемой в источниках тепла - 100 мВт.20Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание, расположенное на тепло- изолирующей подложке, на котором рас положены входной электротвпловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры.30 Данное устройство за счет увеличения теплового сопротивления теплопроводящего основания и повышения идентичности параметров термочувствительных элементов позволяет уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить динамический диапазон до 40-50 дБ2.Однако дальнейшее расширение динамического диапазона ограничено верхним пределом температурного диапазона работы полупроводниковых приборов и технологическими ограничениямиана относительный разброс параметров датчиков температуры.Цель изобретения - повышение динамического диапазона работы тепло- электронного устройства.Указанная цель достигается тем, что в теплоэлектронное устройство, содержащее .теплопроводящее основание, расположенное на теплоизолирующей подложке, на котором расположены входной электротепловой преобразователь, состоящий из двух источников тепла и выходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, введены дополнительный электротепловой преобразователь, два датчика которого расположены симметрично датчикам выходно 974464го теплоэлектрического преобразователя, а во входной электротепловой преобразователь введены два дополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причем вход допол нительного электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительного тепло- электрического преобразователя под О ключен к входу входного электротеплового преобразователяНа Фиг, 1 показано предлагаемое теплоэлектронное устройство, вид сверху; на Фиг. 2 - то же, вид сбоку (разрез; на фиг. 3 - схема включения преобразователей; на Фиг,4 графики распределения постоянной составляющей Ор и первой гармоники 6 температурного поля, создаваемого в теплопроводящем теле источниками тепла входного электротеплового преобразователя.Теплоэлектронное устройство содержит теплопроводящее основание 1,размещенное на теплоизолирующей подложке 2. В теплопроводящем основании 1 размещены источники 3-6 тепла, составляющие входной электротепловой преобразователь 7, источники 8-11 тепла, Зо составляющие дополнительный электро-тепловой преобразователь 12, датчики 13 и 14 температуры, составляющие выходной теплоэлектрический преобразователь 15 и датчики 16 и 17 температуры, составляющие дополнительный теплоэлектрический преобразователь 18, Источники 3-6 тепла расположены симметоично друг относительно друга.Источники 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 40 12 также расположены симметрично друг относительно друга. Датчики 16 и "17 температуры дополнительного тепло- электрического преобразователя 18 расположены симметрично датчикам 13 45 и 14 температуры выходного теплоэлектрического преобразователя 15Источник 5 тепла управляется сигналом противоположной полярности по сравнению с источником .3 тепла, а полярность5 О управляющего сигнала источника б тепла противоположна полярности управляющего сигнала источника 4 тепла. В случае дифференциальных источников 3 и 4 тепла полярности управляю фих сигналов источников 3 и б тепла .совпадают, а полярность управляющих .сигналов источников 4 и 5 тепла про тивоположна.Выход 19 выходного теплоэлектри ческого преобразователя 15 подключен ко входу дополнительного электротеплового преобразователя 12, а выход дополнительного теплоэлектрического преобразователя 18 подключен ко входу 65 входного электротеплового преобразователя 7.3 а счет размещения всех источников 3-6 и 8-11 тепла и всех датчиков 13,14,16 и 17 температуры наодном теплопроводящем основании 1 между преобразователями 7,12,15 и 18возникают тепловые связи 20-23.Входной сигнал подается на вход 24 входного электротеплового преобразователя 7, а выходной сигнал снимаетсяс выхода 19 выходного теплоэлектрического преобразователя 15.На фиг, 4 координаты хи х 2 соответствуют центрам источников 3 и 5или источников б и 4 тепла.Координаты х и х 4 соответствуют центрамдатчиков 13 и 16 температуры или датчикам 14 и 17 температуры. Координатых соответствуют осям симметрии теплопроводящего основания 1. На кривойпостоянной составляющей бр температурного поля началу оси ординат соответствует минимальное значение температуры Т вдоль теплопроводящегооснования 1. Распределении первойгармоники б температурного поля соответствует нулевая температура в начале оси ординат,Устройство работает следующим образом,При изменении входного сигналамощность, рассеиваемая источникамитепла, содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянные составляющие рассеиваемой мощности всехисточников тепла имеют один знак.Приотсутствии теплоотвода от теплопроводящего оснований 1 составляющая температурного поля, соответствующаяпостоянной составляющей рассеиваемоймощности, одинакова в любой точкетеплопроводящего основания 1,Однаконаличие теплоотвода через теплоизолирующую подложку 2 приводит к некоторому снижению температуры вдали отисточников тепла, Первая гармоникапеременной составляющей рассеиваемоймощности при противофазном изменениисигналов в источниках тепла имеет составляющие разного знака. Если источники 3, 5, б и 4 тепла входного электротеплового преобразователя 7 управляются в порядке очередности противофазными сигналами, то на осях симметриитеплопроводящего основания 1 координаты хр .первая гармоника 9 равна нулю,а в зонах между ними 9 поочередноменяет знак. Если координате х источника 3 тепла соответствует положительное значение 9 , то коодинате х,источника 5 тепла соответствует отрицательное значение 9При симметричном расположении датчиков 13, 14, 16 и 17температуры на теплопроводящем основании 1 передаточные тепловые сопротивления от различных источников 3-6 тепла входного электротеплового преобразователя 7 к датчикам 13, 14, 16 и 17 температуры выходного 15 и дополнительного 18 теплоэлектрических преобразо. вателей, соответствующие постоянной составляющей рассеиваемой мощности, в соответствии с распределением температурного поля вдоль теплопроводящего основания 1 имеют одинаковый знак и равны между собой. Передаточные тепловые сопротивления,соответствующие первой гармонике рассеи ваемой мощности, равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки.Аналогичными свойствами характеризуется температурное поле, создаваемое в теплопроводящем основании 1 источниками 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 12, если источники 8, 10, 9 и 11 тепла управляются противофазными сигналами. При синфазном измерении сигналов в источниках 8, 10, 9 и 11 тепла распределение первой гармоники 01 температурного поля повторяет распределение постоянной составляющей Ор температурного поля, и передаточные тепловые сопротивления, соответствующие 9 имеют одинаковый знак. В этом случае источники 8, 9, 10 и 11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя могут . быть попарно объединены и размещены симметрично относительно датчиков 13, 14, 16 и 17 температуры на осях симметрии теплопроводящего основания 1.При появлении на выходах тепло- электрических преобразователей 15 и 18 постоянной составляющей напряжения, обусловленной изменением температуры окружающей среды, во входном электротепловом 7 и дополнительном 12 преобразователях изменяется уровень постоянной составляющей рассеиваемой мощности. Через тепловые связи 20-23 тепловой сигнал поступает на входы теплоэлектрических преобразователей 15 и 18, вызывая изме- . нение сигнала на выходах этих преобразователей. Приращение выходного Напряжения, обусловленное изменением температуры окружающей среды, может быть определено с помощью соотноше- ния 50где Р - постоянная сос"авляющаямощности входного электро=еплового преобразователя.При равенстве Квво и Кдао и выполнении условий 2) приращейие выходных напряжений 1) и 3) равнынулю.Аналогичный вид имеет;выражениедля выходного напряжения, возникающего под действием постоянной сосф тавляющей мощности, рассеиваемойв источниках 8-11 тепла дополнительного электротеплового преобразователя 12. Кроме выполнения условия(2) для равенства нулю выходного на З пряжения требуется равенство передадО Ос) = с 1"-д 1 вРдМ,+вРдв)1 Лвоьво 1 в,ов,)1 " О) где Ь Тс - приращение температурыокружающей среды;и" чувствительность входного и дополнительного теплоэлектрических преобразователей; 1 и 1 - коэффициенты преобразования входного сигнала впостоянную и первую гармонику мощности;й и й - передаточные тепловыефв в сопротивления тепловой связи 21 для постоянной составляющей ипервой гармоники рассеиваемой мощности;и й - передаточные тепловыевво вв сопротивления тепловойсвязи 20 для постояннойсоставляющей и первойгармоники рассеиваемой 15мощности;А - определитель структурнойсхемы теплоэлектронногоустройства.В связи с равенством передаточных 20 тепловых сопротивлений дв и йвви противоположностью знаков передаточных тепловых сопротивлений к 8и йвв, условие исключения измененийвыходного напряжения может быть за писано в виде 2. 1которое обеспечивается выбором пара- ЗО метров преобразователей.При измерении амплитуды входногосигнала в электротепловых преобразователях 7 и 12 происходит изменениепостоянной составляющей рассеиваемой З 5 мощности, вызывающее через тепловыесвязи 20-23 изменения выходного напряжения теплоэлектронного устройства. Приращение выходного напряжения, обусловленное изменением постоянной составляющей мощности источников 3, 4, 5 и 6 тепла входного электротеплового преобразователя 7 можетбыть определено с помощью выражения: 45 ъК во) "воЬ 1 вво" 1 д воово+вРв )+ " "Р, Л "1точных тепловых сопротивлений дляпостоянной составляющей мощности отисточников 3-6 и 8-11 тепла преобразователя к датчикам температуры выходного 15 и дополнительного 18 теплоэлектрических преобразователей, 5которое обеспечивается симметричнымрасположением источников 3-6 и 8-11тепла относительно датчиков 13, 14.,16 и 17. Динамический диапазон устройства определяется не дрейфом выходных напряжений под воздействиемтемпературы окружающей среды и изменением постоянной составляющей рассеиваемой мощности, а уровнем шумовэлектротепловых и теплоэлектрических преобразователей,Лри практической реализации предлагаемых теплоэлектронных устройствусловие (2) выполняется с опреде;ленной точностью, определяющей возможность расширения динамическогодиапазона теплоэлектронных устройств,.Выполнение условий (2) с точностью10 является реальным для микроэлектроники, Дйнамический диапазон устройства расширяется на 20 дБ и достигает 60-70 дБ.Увеличение точности выполненияусловий (2) на 1 за счет подстройкипараметров расширяет динамическийдиапазон еще на 20 дБ.Формула изобретенияТеплоэлектронное устройство, содержащее теплопроводящее основание,расположенное на теплоизолирующей Подложке, на котором расположены входнойэлектротепловой преобразователь,состоящий из двух источников тепла ивыходной теплоэлектрический преобразователь, состоящий из двух датчиков температуры, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышениядинамического диапазона, в него введены дополнительный электротепловойпреобразователь, два датчика которого расположны симметрично датчикамвыходного теплоэлектрического преобразователя, а во входной электротепловой преобразователь введены двадополнительных источника тепла, расположенные на теплопроводящем основании симметрично основным, причемвход дополнительного электротеплового преобразователя подключен к выходу выходного теплоэлектрического преобразователя, а выход дополнительноготеплоэлектрического преобразователяподключен к входу входного электротеплового преобразователя. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Свау Р.й., Нав 11 оп В.Т. Апа-.1 уз 1 з оУ Е 1 ес 1 гоЬетща 1 1 п 1 ега 1 ейС 1 тсц 1 Сз. 1 ЕЕЕ 3. Яо 1 Ы 1 а 1 е Сигси 11 з,чо 1 ЯС, Р 1, 1971, р. 8-14,2, Авторское свидетельство СССРР 568987, кл. Н 01 Ь 35/02, 1977прототип).Тираж 761 НИИПИ Государственного по делам изобретений 035,.Москва, Ж, Раушкомитет открытская на одписное СССР д, 4/5