БЕСПРОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
WIRELESS TEMPERATURE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к области кристаллографии, а более конкретно, к устройствам для контроля температуры в вакуумных ростовых камерах, а также при отжиге кристаллов, выращенных из расплава.
Обеспечение точного контроля температуры представляет собой важную задачу, связанную с преодолением ряда технических трудностей, например, в вакуумной ростовой установке при подаче к нагревателям больших токов (>50А), токоввод имеет только два контакта. Установка дополнительных контактов для проводного вывода информации о температуре из вакуумного объема ростовой камеры крайне нежелательна из-за реальной возможности нарушения герметичности камеры.
Проблема обеспечения герметичности камеры может быть решена путем беспроводной передачи информации от температурного датчика, например, термопары к расположенному вне камеры приемнику.
Известно устройство для измерения температуры, содержащее ЭВМ, термодатчики и два аналого-цифровых преобразователя, которое выбрано в качестве прототипа. Данное устройство выполнено многоканальным на основе беспроводной связи, при этом в состав устройства введены приемопередающий модуль системы с антенной (RU 112998, «Система измерения температуры», МПК G01K 7/00, опубл. 27.08.2012).
Недостатки прототипа RU 112 998:
- Передача данных осуществляется через радиомодуль (частота 433,92 МГц), что влечет за собой необходимость наличия приемопередающего устройства на стороне компьютера. Кроме того, намного усложняется взаимодействие со смартфонами, поскольку отсутствуют штатные решения по сопряжению данного приемопередающего устройства с смартфоном.
- Требуется дополнительный источник питания на стороне компьютера.
- Требуется дополнительный обработчик и иинтерпретатор принятых через приемник данных
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции в результате отказа от приемопередающего устройства на стороне компьютера, повышение энергоэффективности устройства и расширение его функциональных возможностей.
-9
Техническим результатом является создание устройства, которое надежно работает в условиях высокого вакуума (вплоть до 1×10 мм рт.ст.) и обеспечивает как замер температур, так и других физических параметров для установления величины которых существует аналоговый датчик.
Поставленная техническая задача и достигаемый технический результат обеспечиваются тем, что в беспроводном устройстве для измерения температуры, содержащем, термодатчик, блок питания и блок аналого-цифрового преобразования, устройство выполнено в виде большой интегральной схемы, заключенной в корпусе, размещенном внутри объема вакуумной камеры, в качестве термодатчика применена термопара, сигнал от рабочего спая которой поступает в первый блок - блок первичной фильтрации аналогового сигнала, содержащий блок фильтрации входного сигнала, блок усиления входного сигнала и блок фильтрации входного сигнала после его усиления, к названному блоку подключен датчик ненулевой температуры рабочего спая термопары, первый блок подключен ко второму блоку - блоку цифровой обработки сигнала, выполненному в виде контроллера, который преобразует аналоговые сигналы в цифровую информацию, производит обработку этой информации и направляет данные полученные в результате обработки информации в третий блок - блок приемопередачи, все названные блоки подключены к четвертому блоку-блоку стабилизации и фильтрации питающего напряжения, который подключен к источнику питания, в качестве четвертого блока применен блок приемопередачи сигналов на основе bluetooth модуля НС-05, передающий по протоколу последовательного порта RFCOMM, за пределами вакуумной камеры размещен приемник сигналов, поступающих по беспроводной связи от блока приемопередачи, который подключен к конечному потребителю информации о замеряемом параметре внутри вакуумной камеры. В качестве конечного потребителя возможно применение компьютера или смартфона.
Существо изобретения поясняется схемами, приведенными на фигурах.
Фиг. 1 - конструктивная схема размещения устройства в вакуумной камере:
Фиг. 2- блок-схема устройства;
Фиг. 3 - принципиальная схема устройства;
Фиг. 4 - фото камеры, внутри которой было размещено устройство;
Фиг. 5 - фото устройства со снятой крышкой.
Корпус 1 устройства размещен внутри вакуумной камеры 2, горячий спай термопары 3 установлен на отжигаемом кристалле 4, беспроводной сигнал с устройства, несущий информацию о температуре кристалла 4, поступает на приемник 5, например, смартфон, находящийся вне камеры 2.
Устройство выполнено в виде большой интегральной схемы, содержащей несколько блоков (фиг. 2, границы блоков выделены пунктирной линией), а именно: первый блок 6 первичной фильтрации аналогового сигнала, который включает в себя блок фильтрации входного сигнала, блок усиления входного сигнала и блок фильтрации входного сигнала после его усиления; второй блок 7 - блок цифровой обработки сигнала; третий блок 8 -блок приемопередачи; четвертый блок 9 - блок стабилизации и фильтрации питающего напряжения. За пределами вакуумной камеры размещен приемник сигналов 5, поступающих по беспроводной связи от блока приемопередачи. К первому блоку подключен датчик ненулевой температуры рабочего спая термопары. Второй блок 7 выполнен в виде контроллера, который преобразует аналоговые сигналы в цифровую информацию, производит обработку этой информации и направляет данные полученные в результате обработки информации в третий блок 8. В качестве третьего блока 8 применен блок приемопередачи сигналов на основе bluetooth модуля НС-05, передающий сигнал по протоколу последовательного порта RFCOMM.
Беспроводное устройство функционирует следующим образом.
Входной сигнал от горячего спая термопары 3, который размещен на отжигаемом кристалле 4, поступает к первому блоку 6 на разъем J1 (фиг. 3.). Далее сигнал, пройдя через фильтр низких частот (ФНЧ) R1-C6, поступает на вход операционного усилителя U1. В названном усилителе сигнал преобразуется с определенным коэффициентом, величина которого задается цепью отрицательной обратной связи C5-R10-R12, и, проходя через ФНЧ R2-С4, поступает к второму блоку 7 на вход аналого-цифрового преобразователя, являющегося составной частью микроконтроллера U3. В втором блоке 7 аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и проходит ряд преобразований, которые задаются программой микроконтроллера, после чего сигнал поступает на вход третьего блока 8. Третий блок 8 выполнен в виде Bluetooth приемо-передатчика, сигнал к которому поступает через разъем J3. Далее сигнал в цифровом виде с названного блока по беспроводному каналу поступает к конечному приемнику 5 оператора, например, к смартфону или персональному компьютера.
При этом четвертый блок 9 обеспечивает фильтрацию и стабилизацию питающего напряжения для первого, второго и третьего блоков.
С помощью предлагаемого беспроводного устройства для измерения температуры были проведены эксперименты с контролем температуры в рабочей области установки газофазного осаждения проточного типа при росте различных наноструктур. От температуры подложки сильно зависят процессы адсорбции и десорбции атомов разрастающихся на поверхности подложек структур. Таким образом, для качественного управления характеристиками создаваемых структур необходим точный контроль температуры подложки in-situ методом, для этой цели оптимальным является применение термопары. Однако, создание токовоода для термопары в ряде установок газофазного осаждения является сложной, а зачастую и технически нереализуемой задачей. Разработанное устройство в виде термопарного модуля позволяет обойти это ограничение.
С применением устройства были также проведены исследования процессов поверхностных преобразований путем сублимации и твердофазных преобразований тонких пленок и наноструктур под действием температуры. Термопара приваривалась к резистивному элементу, на котором располагался исследуемый образец. Для опытов по сублимации элементов с поверхности исследуемых образцов объем, содержащий резистивный элемент и образец, откачивался до состояния высокого вакуума.
Далее производился нагрев резистивного элемента и, соответственно, исследуемого образца, в данном процессе большее значение имеет температура образца, измерение которой осуществляется с использованием термопары. Что касается твердофазных преобразований тонких пленок и наноструктур, то нагрев производился в атмосфере рабочего газа, температура образца во время эксперимента влияет на структуру и свойства получаемых тонких пленок и наноструктур.
Проведенные эксперименты подтвердили практическую применимость предлагаемого устройства.
Следует также отметить, что принципиально при замене датчика устройство может быть использовано и при замере других физических величин, например давления.