UA17251U - Anisotropic coordinate-sensitive thermoelectric heat radiation receiver - Google Patents

Abstract

The present invention relates to an anisotropic thermoelectric heat radiation receiver that is sensitive to the coordinates of a radiation source. The proposed heat radiation receiver contains a temperature-controlled casing, an anisotropic thermoelectric element, which is shaped as a rectangular prism, and a ceramic heat-conducting plate. The thermoelectric element contains microcontacts, which are arranged along the ribs of the lower edge of the thermoelectric element at a specified distance from each other.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель відноситься до термоелектричних приладів і знайде застосування у теплопірокалориметрії, 2 Іщ-, НВУ- та лазерній техніці, електроніці і теплобаченні. Вона призначена для визначення геометричних координат падаючого випромінювання точкової форми.The useful model refers to thermoelectric devices and will find application in thermal pyrocalorimetry, 2 Isch-, NVU- and laser technology, electronics and thermal imaging. It is intended for determining the geometric coordinates of incident point-shaped radiation.

Відомі пристрої (1), що містять тепловирівнюючі та тепловіддаючі деталі, а також анізотропні елементи.Known devices (1) containing heat-equalizing and heat-dissipating parts, as well as anisotropic elements.

Вони дозволяють визначити розподіл променевих потоків, як в неперервному так і в імпульсному режимах.They make it possible to determine the distribution of radiant fluxes, both in continuous and pulsed modes.

З існуючих аналогів найбільш близьким по технічній суті є анізотропний термоелектричний 70 координатно--утливий приймач (2). Він складається з термостатуючого корпусу з електровиводами і анізотропного термоєлемента у вигляді прямокутної призми довжиною а, висотою Б і шириною с (ас). Його нижня робоча грань (а хс) знаходиться у тепловому контакті з термостатуючим корпусом, при цьому кожна з чотирьох бічних граней анізотропного термоелемента вздовж довжини а та ширини с містить (пя-1) точкових електричних мікроконтактів, що рівномірно і симетрично розташовані через відстані а/п, с/п, відповідно, і під'єднані до електровиводів.Of the existing analogs, the closest in terms of technical essence is the anisotropic thermoelectric 70-coordinate receiver (2). It consists of a thermostatic housing with electrical terminals and an anisotropic thermoelement in the form of a rectangular prism with length a, height B and width c (as). Its lower working face (a xs) is in thermal contact with the thermostatic housing, while each of the four side faces of the anisotropic thermoelement along the length a and width c contains (pya-1) point electrical micro-contacts that are evenly and symmetrically located through the distances a/ n, s/n, respectively, and are connected to electrical outlets.

Така конструкція приймача потребує високої точності розміщення точкових електричних мікро контактів, з одного боку, та застосування надточного технологічного обладнання - з іншого. Як показали проведені дослідження, неточність розміщення цих контактів веде до великої похибки визначення місцезнаходження теплової плями (520905), яка обумовлена дією вихрових термоелектричних струмів, що виникають на контактах при неізотермічних умовах, та впливом анізотропії теплопровідності матеріалу термоелемента.This design of the receiver requires high precision placement of point electrical micro contacts, on the one hand, and the use of high-precision technological equipment - on the other. As the conducted studies have shown, the inaccuracy of the placement of these contacts leads to a large error in determining the location of the heat spot (520905), which is due to the action of eddy thermoelectric currents that arise on the contacts under non-isothermal conditions and the influence of the anisotropy of the thermal conductivity of the thermoelement material.

Тому досить актуальним є завдання створення конструкції анізотропного термоелектричного координатно-чутливого приймача випромінювання, який би характеризувався зниженою похибкою визначення координат теплової плями.Therefore, the task of creating an anisotropic thermoelectric coordinate-sensitive radiation receiver, which would be characterized by a reduced error in determining the coordinates of the heat spot, is quite urgent.

Вказане завдання розв'язується тим, що анізотропний термоелектричний координатно-чутливий приймач випромінювання складається з термостатуючого корпусу з електровиводами, анізотропного термоелемента у 8 вигляді прямокутної призми довжиною а, висотою р, шириною с (ахс »бБ), та керамічної пластини, причому електричні точкові мікроконтакти вздовж довжини а та ширини с анізотропного термоелемента виконані через задані відстані на ребрах його нижньої робочої грані.This task is solved by the fact that the anisotropic thermoelectric coordinate-sensitive radiation receiver consists of a thermostatic housing with electrical terminals, an anisotropic thermoelement in the form of a rectangular prism of length a, height p, width c (ахс »бБ), and a ceramic plate, and electric point microcontacts along the length a and width c of the anisotropic thermocouple are made through the specified distances on the edges of its lower working face.

Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена - сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. ююCompliance with the "novelty" criterion for the proposed device is provided by the stated circumstance - the set of features is not contained in any of the objects of the existing state of the art. i am

У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для анізотропного термоелектричного координатно--утливого приймача випромінювання, що складається з термостатуючого корпусу з сч електровиводами, анізотропного термоелемента у вигляді прямокутної призми, довжиною а, висотою Б, - шириною с (а-с»р) та керамічної теплопровідної пластини, яке полягає в тому, що електричні точковіA useful model offers a fundamentally new solution for an anisotropic thermoelectric coordinate radiation receiver, which consists of a thermostatic housing with three electrical leads, an anisotropic thermoelement in the form of a rectangular prism, length a, height B, width c (a-c»r) and ceramic heat-conducting plate, which consists in the fact that electric point

Зо мікроконтакти вздовж довжини а та ширини с анізотропного термоелемента виконані через задані відстані на - ребрах його нижньої робочої грані. Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з існуючих аналогів - "електричні точкові мікроконтакти вздовж довжини а та ширини с анізотропного термоелемента виконані через задані відстані на ребрах його нижньої робочої грані" - забезпечує необхідний "корисна модельницький рівень". «Z micro-contacts along the length a and width c of the anisotropic thermoelement are made through the specified distances on the edges of its lower working face. Therefore, a feature that is not found in any of the existing analogues - "electric point micro-contacts along the length a and width c of the anisotropic thermoelement are made through the specified distances on the edges of its lower working face" - provides the necessary "useful modeling level". "

Промислове використання запропонованого корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, З7З 70 йог реалізація можлива на існуючих підприємствах електронної т а приладобудівної промисловості. с На Фіг.1 та Фіг2 представлена схематична конструкція запропонованого пристрою, а на Фіг.З та Фіг.4 - "з схематична конструкція керамічної теплопровідної пластини з точковими електричними мікро контактами, струмопровідними смугами та технологічними контактами.The industrial use of the proposed useful model does not require special technologies and materials, Z7Z 70 its implementation is possible at existing enterprises of the electronic and instrument-making industry. c Fig. 1 and Fig. 2 show a schematic design of the proposed device, and Fig. 3 and Fig. 4 show a schematic design of a ceramic heat-conducting plate with point electrical micro contacts, current-conducting strips and technological contacts.

Запропонований анізотропний термоелектричний координатно-ч-утливий приймач (Фіг.1 та Фіг.2) містить -з 75 анізотропний термоелемент 1 у вигляді прямокутної призми, довжиною а, висотою БЮ, шириною с (а-с »б), який через керамічну теплопровідну пластину 2 знаходиться у тепловому контакті з корпусом-термостатом 6. На -І ребрах його нижньої робочої грані вздовж довжини а та ширини с через задані відстані виконані електричні точкові мікроконтакти 8, які за допомогою електровивідних смуг 7 з'єднані з технологічними контактами 4. В о свою Чергу контакти 4 за допомогою мікродротів 5 з'єднано до електровиводів З, що розташовані в с 50 корпусі-термостаті 6. га Верхня грань теплопровідної пластини 2 (Фіг.3 та Фіг.4) у вигляді тонкого квадрату з діелектричного матеріалу великої теплопровідності, наприклад кераміки 22ХС, містить технологічні контакти 4, які через струмопровідні смуги 7 з'єднано з точковими електричними мікро-контактами 8. Контакти 8 вздовж нижніх ребер а і с охоплюють по периметру анізотропний термоелемент 1. Число М мікроконтактів 8 визначається величиною заданої роздільної здатності приймача за площею А-АхХхл2 та знаходиться в межах 8еМ«4(0,ба/г-1). с Запропонований приймач працює наступним чином. Випромінювання точкової форми, яке попадає на верхню робочу грань термоелемента, поглинається та створює в ньому теплову пляму з "активною частиною" об'єму, яка генерує деяку електрорушійну силу є. Ця електрорушійна сила утворює відповідний розподіл перепаду напруг вздовж довжини а та ширини с анізотропного термоелемента, на яких знаходяться мікроконтакти 8. Вимірювання бо розподілу цих напруг дає нам можливість визначати координати теплової плями. Внаслідок того, що мікроконтакти 8 разом із струмопровідними смугами 7 та технологічними контактами 4 розташовані на верхній поверхні термостатованої керамічної пластини 2, яке веде до ізотермічних умов роботи як складових приймача 8, 7, 4, так і нижньої робочої грані анізотропного термоелемента. Застосування елементів інтегральної технології - катодного розпилення та фотолітографії - дозволяє виготовляти керамічні пластини 2 разом з бо складовими 8, 7, 4 з високим рівнем точності їх розташування. Все це разом веде до значного зниження похибки визначення координат теплової плями, а разом із нею і координат падаючого випромінювання.The proposed anisotropic thermoelectric coordinate-h-utilizing receiver (Fig. 1 and Fig. 2) contains - with 75 anisotropic thermoelement 1 in the form of a rectangular prism, length a, height BYU, width c (a-c » b), which through a ceramic heat-conducting plate 2 is in thermal contact with the thermostat housing 6. On the -I edges of its lower working face along the length a and width c through the specified distances, electrical point micro-contacts 8 are made, which are connected to technological contacts 4 with the help of electrical conductive strips 7. In turn, the contacts 4 are connected with the help of microwires 5 to the electrical terminals C, which are located in the housing-thermostat 6. The upper face of the heat-conducting plate 2 (Fig. 3 and Fig. 4) is in the form of a thin square made of a dielectric material of high thermal conductivity , for example ceramics 22ХС, contains technological contacts 4, which are connected to point electrical micro-contacts 8 through conductive strips 7. Contacts 8 along the lower edges a and c cover the perimeter anisotropic thermocouple 1. The number M of microcontacts 8 is determined by the value of the specified resolution of the receiver by the area А-АхХххл2 and is within 8eM«4(0.ba/g-1). c The proposed receiver works as follows. Point-shaped radiation, which falls on the upper working face of the thermocouple, is absorbed and creates in it a heat spot with an "active part" of the volume, which generates some electromotive force. This electromotive force forms the appropriate distribution of the voltage drop along the length a and width c of the anisotropic thermoelement, on which the microcontacts 8 are located. Measuring the distribution of these voltages gives us the opportunity to determine the coordinates of the heat spot. Due to the fact that the microcontacts 8 together with the conductive strips 7 and technological contacts 4 are located on the upper surface of the thermostated ceramic plate 2, which leads to isothermal operating conditions of both the components of the receiver 8, 7, 4, and the lower working face of the anisotropic thermocouple. The use of elements of integral technology - cathode sputtering and photolithography - makes it possible to manufacture ceramic plates 2 together with components 8, 7, 4 with a high level of accuracy of their location. All this together leads to a significant reduction in the error in determining the coordinates of the heat spot, and with it, the coordinates of the incident radiation.

У дослідному зразку запропонованого приймача анізотропний термоелемент 1 виконувався з монокристалів антимоніду кадмію з наступними параметрами в області кімнатних 2 температур: ло -280мкВ/К7, х22 -1,5х102Втх(смхК)7, 5 -0,3(Омхсм)"! у вигляді платини з а-с-16мм, Б-0,5мм.In the prototype of the proposed receiver, the anisotropic thermocouple 1 was made of cadmium antimonide single crystals with the following parameters in the room 2 temperature range: lo -280μV/K7, x22 -1.5x102Wx(cmxK)7, 5 -0.3(Ωxcm)"! in the form platinum with a-c-16mm, B-0.5mm.

Точкові мікроконтакти 8 разом із струмопровідними смугами 7 та технологічними мікроконтактами 4 виготовляють катодним розпиленням шарів нікелю на поверхню кераміки 22 ХО з наступним витравлюванням відповідної топології. З'єднання мікроконтактів 8 з нижніми ребрами термоелемента 1 проводилось за допомогою 70 індію методом пайки, а з'єднання технологічних контактів 4 з електровиводами З - за допомогою золотого мікродроту з г-1О0мкм. Роздільна здатність приймача за його площею складала А-0,25мм. Загальна кількість мікроконтактів 8 при цьому дорівнювала М-124. Верхня робоча грань ахс термоелемента 1 містила поглинаюче неселективне покриття (на Фіг.1 та Фіг.2 не показано).Point micro-contacts 8 together with conductive strips 7 and technological micro-contacts 4 are made by sputtering nickel layers on the ceramic surface 22 XO followed by etching of the corresponding topology. The connection of micro-contacts 8 with the lower edges of the thermoelement 1 was carried out using 70 indium by the soldering method, and the connection of technological contacts 4 with electrical terminals З - with the help of a gold microwire with g-1O0μm. The resolution of the receiver in terms of its area was A-0.25 mm. At the same time, the total number of microcontacts was 8, equal to M-124. The upper working face of the thermocouple 1 contained an absorbent non-selective coating (not shown in Fig. 1 and Fig. 2).

Експериментальне дослідження цього приймача в режимі зовнішнього оптичного поглинання проводилось як /5 З когерентним, так і неселективним випромінюваннями. Когерентне випромінювання задавалось триколірним лазером ЛГ-126, який випромінює на довжинах хвиль 0,56, 1,12, та 3,3бмкм променеву енергію густиною 1,0мВт/мм. Неселективне випромінювання задавалось установкою "Чорного тіла" типу АЧТ-1А, яка давала змогу задавати потрібний геометричний розподіл енергії в її поперечному перерізі.Experimental research of this receiver in the mode of external optical absorption was carried out with both coherent and non-selective radiation. Coherent radiation was provided by a three-color LH-126 laser, which emits radiant energy with a density of 1.0 mW/mm at wavelengths of 0.56, 1.12, and 3.3 μm. Non-selective radiation was provided by the "Black body" installation of the АХТ-1А type, which made it possible to set the desired geometric distribution of energy in its cross-section.

Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що значення похибки визначення координат теплової плями, викликаної точковим випромінюванням як когерентного, так і неселективного характерів, зменшується до 6-795. Змінюючи в певних границях відстані Ах і й між точковими мікроконтактами 8, можна вибрати необхідне значення роздільної здатності приймача за площею.Analysis of the results of experimental studies showed that the value of the error in determining the coordinates of a heat spot caused by point radiation of both coherent and non-selective natures decreases to 6-795. By changing within certain limits the distances Ах and и between the point microcontacts 8, it is possible to choose the required value of the resolution of the receiver by area.

Для вимірювання променевих потоків підвищеної густини необхідно застосовувати режим "прохідної потужності". В цьому випадку можна реєструвати променеві потужності до 10Вт/см.To measure high-density radiant fluxes, it is necessary to use the "throughput power" mode. In this case, it is possible to register beam power up to 10 W/cm.

Література: 1. Ащеулов А.А., Адьлшин О.Г., Воронка Н.К. Раренко Й.М. Некоторье вопросьії использования в) полупроводниковьїх соеденинеий АВ; //В кн: Материаловедение полупроводниковьїх соединеий группь! А»оВрв. -Черновць!: ЧТУ, 1990. - С.111. 2. Ащеулов А.А, Гуцул І.В. Деклараційний патент на корисна модель ШАб5789. Анізотропний - пе термоелектричний приймач випромінювання. Бюл. Мо4, 2004р.References: 1. Ashcheulov A.A., Adlshin O.G., Voronka N.K. Rarenko Y.M. Some questions of use c) semi-conductor connections AB; //In the book: Materials Science of Semiconductor Compound Groups! A»oVrv. - Chernivtsi!: ChTU, 1990. - P.111. 2. A.A. Ashcheulov, I.V. Hutsul. Declaratory patent for utility model Shab5789. Anisotropic thermoelectric radiation receiver. Bul. Mo4, 2004

ІС)IS)

Claims (2)

Формула винаходу с чаThe formula of the invention with ch 1. Анізотропний термоелектричний координатно--утливий приймач випромінювання на основі «- термостатуючого корпуса з електровиводами, анізотропного термоелемента у вигляді прямокутної призми довжиною а, висотою Б, шириною с (а-с»б) та керамічної теплопровідної пластини, який відрізняється тим, що електричні точкові мікроконтакти вздовж довжини а та ширини с анізотропного термоелемента виконані через задані відстані на ребрах його нижньої робочої грані. «1. Anisotropic thermoelectric co-ordinate radiation receiver based on "- a thermostatic housing with electrical terminals, an anisotropic thermoelement in the form of a rectangular prism length a, height B, width c (a-c"b) and a ceramic heat-conducting plate, which is distinguished by the fact that electric point micro-contacts along the length a and width c of the anisotropic thermoelement are made through specified distances on the edges of its lower working face. " 2. Анізотропний приймач випромінювання за пунктом 1, який відрізняється тим, що електричні точкові пт») с мікроконтакти разом із струмопровідними смугами та технологічними контактами розташовані на верхній грані керамічної теплопровідної пластини. ;» - -І іме) с 50 - с 60 б52. The anisotropic radiation receiver according to item 1, which is characterized by the fact that the electrical point pt») micro-contacts together with the current-conducting strips and technological contacts are located on the upper face of the ceramic heat-conducting plate. ;" - -I name) p 50 - p 60 b5