SU1364168A1 - Multiple-member thermal electric converter - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть- использовано в преобразовател х переменного напр жени  в широком диапазоне частот по уровню среднеквадратичного значени  в посто нное. Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовани  термоэлектрического преобразовател  на высоких частотах за счет размещени  между нагревателем и гор чими спа ми термобатареи провод щего сло , соединенного с выходными ветв ми концевых термопар термобатареи с помощью выполненных на поверхности подложки пленочных конденсаторов. В результате уменьщаетс  величина входной ем- ,; кости, устран ютс  высокочастотные наводки со стороны нагревател  непосредственно в гор чие спаи термопар и существенно ослабл етс  вли ние высокочастотных наводок со стороны выводов термобатареи и выходных цепей преобразовател , что обеспечивает получение высокой точности преобразовани  и дополнительно расшир ет указанный диапазон в сторону более высоких частот. 1 ил. 1 табл. « (Л сгThe invention relates to a measurement technique and can be used in alternating voltage converters in a wide range of frequencies in terms of the rms value to a constant. The aim of the invention is to improve the accuracy of converting a thermoelectric converter at high frequencies by placing a conductive layer between the heater and hot junctions of a thermopile connected to the output branches of a thermocouple terminal thermocouple using film capacitors made on the substrate surface. As a result, the input capacitance is reduced; bones, high-frequency pickups on the heater side directly into the hot junctions of thermocouples are eliminated, and the effect of high-frequency pickups on the side of the thermopile terminals and converter output circuits is significantly reduced, which ensures high conversion accuracy and further expands the specified range to higher frequencies. 1 il. 1 tab. "(L sg

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может ,быть использовано в преобразовател х переменного напр жени  в широком диапазоне частот по уровню среднеквадратичного значени  в посто нное.The invention relates to a measurement technique and can be used in alternating voltage converters in a wide range of frequencies in terms of the rms value to a constant.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовани  на высоких частотах .The aim of the invention is to improve the accuracy of the conversion at high frequencies.

В предлагаемом преобразователе отсутствует гальваническа  св зь наход щегос  между нагревателем и термобатареей провод щего сло  с другими основными элементами термоэлектрического преобразовател  (ТЭП) и не предполагаетс  никакой св зи с корпусом .или нулевым проводом измерительной схемы, в составе которой используетс  ТЭП. Вследствие этого получена мала  величина входной емкости, котора  практически не повышаетс  в св зи с применением провод щего сло , а зависит в .основном от исходных входных параметров ТЭП, т.е. от паразитных емкостей цепи нагревател ..In the proposed converter, there is no galvanic connection between the conductor and the thermopile of the conductive layer with the other main elements of the thermoelectric converter (TEC) and no connection is assumed with the housing or with the neutral conductor of the measuring circuit used as part of the TEC. As a result, a small input capacitance was obtained, which practically does not increase due to the use of a conductive layer, but depends mainly on the initial input parameters of TEC, i.e. from parasitic capacitances of the heater circuit.

Соединение провод щего сло  с соответ- ствуюш,ими выходными ветв ми концевых термоп.ар, вход ишх в состав термобатареи , с помощью конденсаторов шунтирует термобатарею по высокой частоте, защищает ее от высокочастотных наводок со стороны контактных площадок, коммутационных проводников и измерительной схемы, а также устран ет возможность возникновени  паразитной св зи, по высокой частоте между термобатареей и измерительной схемой.The connection of the conductive layer with the corresponding output branches of the terminal thermop.ar, the input of the thermocouple, with the help of capacitors, shunts the thermocouple at a high frequency, protects it from high-frequency pickups from the contact pads, switching conductors and the measuring circuit, and also eliminates the possibility of parasitic communication, high frequency between the thermopile and the measuring circuit.

На фиг. 1 изображен предлагаемый многоэлементный ТЭП. Преобразователь содержит диэлектричег скую подложку. 1, на одной из повер хно- стей которой размещен пленочный резис- тивный нагреватель 2, а на противоположной - пленочные провод щий слой 3 и термобатаре , состо ща  из термопар, ветви 4 и 5 которых имеют различные термоэлектрические свойства. Гор чие спаи 6 термопар расположены над нагревателем 2. Привод щий слой 3 размещен между нагревателем 2 и термобатареей и отделен от нее пленочной диэлектрической прослойкой 7. Нижние обкладки 8 и 9 пленочных конденсаторов раз- мещевы на поверхности подложки 1 и  вл ютс  продолжением провод щего сло  3. Верхние обкладки 10 и 11 отделены от нижних диэлектрической прослойкой 7. Нагреватель имеет контактные площадки 12. Холодные спаи 13 термопар расположены на поверхности подложки 1 по обе стороны от нагревател  2.FIG. 1 shows the proposed multi-element TEC. The converter contains a dielectric substrate. 1, on one of the surfaces of which a film resistive heater 2 is placed, and on the opposite side there is a film conductive layer 3 and a thermopile consisting of thermocouples, branches 4 and 5 of which have different thermoelectric properties. Hot thermocouple junctions 6 are located above heater 2. Driving layer 3 is placed between heater 2 and thermopile and is separated from it by dielectric film layer 7. Lower plates 8 and 9 of film capacitors are placed on substrate 1 surface and are a continuation of conductive layer 3. The upper plates 10 and 11 are separated from the bottom by a dielectric layer 7. The heater has contact pads 12. The cold junctions of 13 thermocouples are located on the surface of the substrate 1 on either side of the heater 2.

Пример. На.Одну из поверхностей диэлектрической подложки I из оксида алюмини  или слюды размерами 8Х4,5Х 0,03 мм осаждены пленки толщиной 0,8 мкм резистивного материала (нихрома Х20Н80 или кермета К 50С) в места расположени  нагревател  2 и пленки толщиной 0,6 мкм материала с высокой удельной электропроводностью (никел  НП1Эв, меди MB или серебра Ag 999,9) в места расположени  контактных площадок 12 нагревател  2. На противоположную поверхность диэлектрической подложкиExample. On one of the surfaces of the dielectric substrate I of alumina or mica with dimensions 8x4.5x 0.03 mm films of a thickness of 0.8 microns of resistive material (nichrome X20H80 or cermet K 50C) are deposited at the location of the heater 2 and films of 0.6 microns thickness material with high electrical conductivity (nickel NP1Ev, copper MB or silver Ag 999.9) at the locations of the contact pads 12 of the heater 2. On the opposite surface of the dielectric substrate

1 осаждены пленки толщиной 0,6 мкм материала с высокой электропроводностью (никел  НП1Эв, меди MB или серебра Ag 999,9) в места расположени  провод щего слой 3 и обкладок 8,9 и 10,11 пленочных конденсаторов , а также пленки толщиной 0,5...0,9 мкм1 films of 0.6 μm material with high electrical conductivity (nickel NP1Ev, copper MB or Ag 999.9 silver) are deposited in the locations of the conductive layer 3 and the plates 8.9 and 10.11 film capacitors, as well as films 0 5 ... 0.9 µm

образующие ветви 4 и 5 термопар из различных . термочувствительных материалов (висмут-сурьма или теллурйд свинца - тел- лурид германи ). Между провод щим слоем 3, обкладками 8 и 9 с одной стороны и ветC в ми 4 и 5, обкладками 10 и 11 с другой стороны осаждена пленочна  прослойка толщиной 0,5...1,0 мкм из диэлектрического материала (окись кремни , окись алюмини  или окись титана). Гор чие спаи 6 и холодные спаи 13 термопар образованы непосредст0 венной коммутацией соответствующих ветвей 4 и 5.forming branches 4 and 5 of different thermocouples. heat-sensitive materials (bismuth-antimony or lead telluride - germanium telluride). Between the conductive layer 3, the plates 8 and 9 on one side and the winds in mi 4 and 5, the plates 10 and 11 on the other side, a film interlayer is deposited with a thickness of 0.5 ... 1.0 μm from a dielectric material (silicon oxide, oxide aluminum or titanium oxide). Hot junctions 6 and cold junctions of 13 thermocouples are formed by direct switching of the corresponding branches 4 and 5.

Нагреватель, имеющий геометрические размерь 4,55Х 0.2 мм, находитс  в тепловом контакте с 30 термопарами, кажда  ветвьA heater with a geometric dimension of 4.55X 0.2 mm is in thermal contact with 30 thermocouples, each branch

которых имеет геометрические размеры 1,1X0,1 мм. Промежуток между ветв ми двух соседних термопар равен 0,05 мм. which has a geometric dimensions of 1.1 x 0.1 mm. The gap between the branches of two adjacent thermocouples is 0.05 mm.

Сопротивление нагревател  Посто нному току составл ет 75 Ом. Суммарное сопротивление термобатареи, состо щей из последоваQ тельно включенных термопар, не превышает 10 кОм, а сопротивление одной ветви термопары 166 Ом. При толщине подложки из оксида алюмини  30 мкм емкость между нагревателем и провод щим слоем име- . ет величину пор дка 2 пФ. ВыполнениеHeater Constant Current resistance is 75 ohms. The total resistance of the thermopile, consisting of sequentially connected thermocouples, does not exceed 10 kΩ, and the resistance of one branch of the thermocouple is 166 Ω. With an alumina substrate thickness of 30 μm, the capacitance between the heater and the conductive layer has This value is about 2 pF. Performance

5 диэлектрической прослойки между провод щим слоем и термобатареей из моноокиси, кремни  толщиной пор дка 1 мкм обеспечивает получение емкости между одним гор чим спаем термобатареи и участком провод щего сло , наход щимс  под этим спа0 , ем, величиной не более 0,55 пФ и суммарной емкости между термобатареей и провод - щ-им слоем 20 пФ. Выходна  емкость ТЭП, т.е. емкость цепи термобатареи имеет величину 2...4 пФ. Величины емкостей шунти5 рующих плёночных-конденсаторов выбраны равными. 150 пФ.5 dielectric layer between the conductive layer and the monoxide thermopile, silicon with a thickness of about 1 micron provides a capacitance between one hot junction thermopile and a portion of the conductive layer located under this gap, the value of not more than 0.55 pF and total the capacitances between the thermopile and the wire are with a layer of 20 pF. Output capacity of TEC, i.e. the capacity of the thermopile circuit has a value of 2 ... 4 pF. The capacitances of the shunt film-capacitors are chosen equal. 150 pF.

В предлагаемом ТЭП получена величина входной емкости пор дка 0,52 пФ, котора In the proposed TEC, the input capacitance is of the order of 0.52 pF, which

при прочих равных параметрах элементов входных цепе;й в 4,85 раза меньше, чем уother things being equal, the parameters of the input circuit elements; nd is 4.85 times less than that of

0 прототипа и определ етс  в основном емкост ми внешних токоподводов к нагревателю , так как суммарна  емкость нагревател  с контактными площадками -имеет величину пор дка.0,03 пФ.0 of the prototype and is determined mainly by the capacitances of the external current leads to the heater, since the total capacity of the heater with the contact pads is of the order of 0.03 pF.

В таблице приведены результаты расче5 та модулей 2ги Zz комплексных сопротив- лений нагревателей с учетом вли ни  входных емкостей дл  предлагаемого и известного ТЭП, а также погрешностей от изменени  модулей Z и Zz дл  различных частот приложенного к-нагревател м перемен- Hord напр жени The table shows the results of calculating the modules 2g Zz of the complex resistances of the heaters, taking into account the effect of the input capacitances for the proposed and known TEC, as well as the errors from changing the modules Z and Zz for different frequencies of applied to-heaters of alternating voltage

Как показывают результаты расчета, в предлагаемом ТЭП на частоте 100 МГц погрешность Преобразовани  от изменени  комплексного сопротивлени  нагревател  вследствие вли ни  входной емкости равна 0,03%, а на частотах до 400 МГц включительно не превышает 0,5%. По сравнению-с прото- типом на высоких частотах (например, на частоте 300 МГц) эта погрешность снижена, т.е. точность преобразовани  повышена не менее, чем в 22,8 раза.As shown by the calculation results, in the proposed TEC, at a frequency of 100 MHz, the conversion error due to the change in the impedance of the heater due to the effect of the input capacitance is 0.03%, and at frequencies up to 400 MHz inclusive does not exceed 0.5%. Compared to the prototype at high frequencies (for example, at 300 MHz), this error is reduced, i.e. conversion accuracy is increased by no less than 22.8 times.

Кроме того, в предлагаемом ТЭП существенно ослаблено вли ние высокочас О In addition, in the proposed TEC, the effect of high-hourly

5five

тотных наводок со стороны термобатареи и выходных цепей.total interference from the thermopile and output circuits.

Claims (1)

Формула изобретени  Многоэлементный термоэлектрический преобразователь, содержащий диэлектрическую подложку, на поверхности которой размещены разделенные диэлектрическими прослойками пленочные резистивный нагреватель , термобатаре , образованна  термопарами , и расположенный между нагревателем и гор чими спа ми термобатареи провод щий слой, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности преобразовани  на высоких частотах, провод щий слой соединен , с выходными ветв ми концевых термопар термобатареи с помощью выполненных на поверхности подложки пленочных конденсаторов .Claims of the Invention A multi-element thermoelectric converter comprising a dielectric substrate, on the surface of which resistive heater films separated by dielectric layers are placed, a thermopile formed by thermocouples, and a conductive layer located between the heater and the hot thermopile thermometers. at high frequencies, the conductive layer is connected to the output branches of the thermocouple terminal thermocouples by means of surface of the substrate film capacitors. / / а i,a i, -5-five Составитель О. ФедотовCompiled by O. Fedotov Редактоо Т. Рыба.поваТехред И. ВересКорректор А. ОбрунарEdited T. Ryba.povaTehred I. VeresKorrektor A. Obrunar Заказ 3728 , Тираж 3 /ПодписноеOrder 3728, Circulation 3 / Subscription ЬНИИНИ I осударственного комитета СССР по делам изобретеиий и открытийLININI I USSR State Committee on Inventions and Discoveries 13035, Москва. Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4 13035, Moscow. Zh-35, Raushsk nab., 4/5 Production and printing company, Uzhgorod, ul. Project, 4