Прибор для проведения токового отжига микропроводов с удаленным контролем температуры

Полезная модель относится к технологиям построения сенсоров, основанных на аморфных микропроводах и магнитоимпедансном эффекте.
Прибор для удаленного контроля температуры при проведении токового отжига либо другой термообработки (ИК нагрев, нагрев в печи) микропровода, позволяет удаленно контролировать его температуру в случаях работы с чрезмерно малыми образцами.
Конструкция, наиболее похожая на предложенную, опубликована 20.05.1995 г в патенте RU 2 035 705 С1: СПОСОБ ЗИНГЕРА A.M. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ.
Недостатками патента-аналога является узко специализированное применение и относительно сложная конструкция.
Отличие состоит в том, что два резистивных моста объединены в один общий, а усиленный сигнал от усилителя (компаратора) поступает не на генератор, а на элемент управления нагревателем платформы, где и происходит контроль температуры.
Стоит отметить, что в патенте RU 2 035 705 С1 температура рассчитывается исходя из разниц рассеиваемых мощностей, тогда, как в представленном варианте предложено выравнивать температуры образцов при помощи подведения дополнительной мощности и проводить непосредственное измерение температуры на нагревательной платформе.
Технический результат заключается в реализации удаленного контроля температуры образца без непосредственной установки датчика температуры на измеряемый образец при проведении температурной обработки или токового отжига.
Технический результат достигается следующим образом: прибор для проведения токового отжига микропроводов с удаленным контролем температуры, содержащий источник питания, термодатчик с устройством индикации, блок управления с подложкой для измеряемого образца и образцом-свидетелем с нагревательной платформой, отличающийся тем, что термодатчик для контроля температуры расположен на нагревательной платформе с образцом-свидетелем, образец-свидетель, и отжигаемый образец включены в мостовую схему, баланс которой контролирует прецизионный усилитель блока управления, к которому подключена нагревательная платформа.
На рисунке 1 показана общая структурная схема устройства. В таком случае температура контролируется не на исследуемом образце, а на образце-свидетеле. Образец-свидетель идентичен по составу, габаритам прочим свойствам контролируемому образцу и имеет хороший тепловой контакт с нагревательной платформой. Исследуемый образец нагревается за счет протекающего через него тока, а образец свидетель нагревается нагревательной платформой и пропускаемым через него током. На нагревательной платформе установлен датчик температуры, температура платформы автоматически выравнивается до температуры образца при помощи блока управления и мостовой схемы. Полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 изображены:
1 - источник питания;
2 - блок управления;
3 - измеряемый образец;
4 - нагревательная платформа с образцом свидетелем;
5 - индикатор температуры;
6 - регулируемый ограничитель тока;
7 - балансир моста;
8 - блок контроля температуры;
9 - микропровод (образец свидетель);
10 - термопара (термодатчик);
11 - нагревательные элементы платформы;
Описание работы устройства. Источник питания (1), отдельно стоящее стандартизованное устройство (Б5-8 или аналогичный), обеспечивает электропитанием с номинальным напряжением 15 В и максимальным током 1А. Блок управления (2) задает ток для проведения измерения или отжига, сравнивает температуры измеряемого образца (3) и образца свидетеля (4) по изменению их сопротивления и включает нагреватель нагревательной платформы для выравнивания температур, текущая температура отображается на индикаторе температуры (5).
На рисунке Фиг. 2 показана структурная схема блока управления и его подключение к остальным блокам. Подложка измеряемого образца и нагревательная платформа с образцом-свидетелем являются составными съемными частями блока управления. Измеряемый образец (3), образец свидетель (4) и резисторы моста в блоке управления включены в общую мостовую схему. При помощи регулятора (6) выбирается режим измерения или величина тока для токового отжига (зависит от положения ручки регулятора). Перед проведением работ регулятором (7) балансируется мост. Блок контроля температуры (8) при помощи прецизионного операционного усилителя отслеживает изменение температуры измеряемого образца и включает нагреватель нагревательной платформы образца-свидетеля, если его температура меньше температуры измеряемого образца. Блок контроля температуры (8), входящий в состав блока управления (2), состоит из прецизионного операционного усилителя (ОУ), линейного регулятора напряжения и силового транзистора управления нагревателем. Линейный регулятор питает операционный усилитель напряжением 6 В. Прямой и инвертирующий входы операционного усилителя подключены к измерительному мосту. При работе с материалами, обладающими положительным температурным коэффициентом сопротивления, инвертирующий вход подключают в диагональ моста со стороны образца-свидетеля, а неинвертирующий вход со стороны исследуемого образца. При работе с материалами, обладающими отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, необходимо инверсное включение операционного усилителя. Выход операционного усилителя подключен к затвору полевого транзистора, исток транзистора подключен к общему проводу, а его сток к нагревателю платформы.
На рисунке Фиг. 3 показано устройство нагревательной платформы и ее подключение. Нагревательные элементы разделены на две ветки для компенсации наводимого магнитного поля в месте установки микропровода и равномерно распределены по платформе для ее равномерного нагревания. Номинальная мощность нагревателя нагревательной платформы составляет 8 Вт. Термопара установлена на платформе в непосредственной близости от микропровода образца-свидетеля. Для обеспечения необходимого теплового контакта микропровода образеца-свидетеля он устанавливается на платформу с применением теплопроводящей пасты, сверху микропровод закрывается каптоновой лентой. Микропровод образца-свидетеля и измеряемого образца выбираются из одной партии, их длина и диаметр идентичные. После установки микропроводов и перед проведением эксперимента контролируется равенство сопротивления обоих образцов, отклонение не должно превышать 5%.
Таким образом, можно отметить следующие отличительные признаки прибора для проведения токового отжига микропроводов с удаленным контролем температуры:
- непосредственное измерение температуры происходит на нагревательной платформе с образцом-свидетелем;
- температура образца-свидетеля автоматически устанавливается равной температуре измеряемого образца;
- минимизирован градиент температуры в измеряемом образце за счет отсутствия физического контакта микропровода с датчиком температуры (термопарой).
- мостовая схема включения с применением прецизионного операционного усилителя в схеме контроля и малая теплоемкость нагревательной платформы позволяющие получить погрешность установки температуры не более 5°С в диапазоне температур до 270°С.
Использование указанных отличительных признаков для выполнения поставленной цели ранее авторам неизвестно.
Пример 1.
После подключения образцов при помощи внешнего микровольтметра балансируется мост. При балансировке ограничивают пропускаемый через мост ток величиной 0,5 мА, во время балансировки через измеряемый образец продувают воздух. Время выполнения балансировки не должно превышать 5 секунд. После выполнения балансировки включат ток для проведения отжига, который так же протекает через оба микропровода (измеряемый образец и образец-свидетель) и нагревает их, при этом измеряемый микропровод нагревается значительно быстрее образца свидетеля. Таким образом, возникает дисбаланс резистивного моста, из-за чего операционный усилитель в блоке контроля температуры, подключенный к моту, включает нагреватель платформы, и выключает его в момент совпадения температур контролируемого образца и образца свидетеля. В результате, теплоотвод датчика температуры автоматически компенсируется подводимой мощностью в нагревательную платформу.