СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ
METHOD OF MEASURING AMBIENT TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения температуры электронных устройств, в том числе, непосредственно в кристалле полупроводниковой микросхемы. Одним из возможных применений может быть защита полупроводниковых приборов от перегрева.
Известен способ определения температуры термоэлектрическими термометрами - термоэлектрическими преобразователями, основанными на использовании открытого в 1821 г. Зеебеком термоэлектрического эффекта. Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников [1].
Недостатком известного способа определения температуры является необходимость использования разнородных проводников, что затрудняет создание схемы контроля температуры на кристалле микросхемы как часть электронной схемы полупроводниковой микросхемы.
Известен способ определения температуры, заключающийся в том, что для измерения температуры используют полупроводниковый термопреобразователь сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3-5%, что делает их чувствительными к изменению температуры [1].
Недостатком известного способа определения является сложность схемотехнических решений устройств, выполненных на основе данного способа. Особенно в случае создания устройства по предохранению от перегрева, где необходимо контролировать достижение одной определенной температуры.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения температуры с использованием шумовых термометров, действие которых основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Эта зависимость определяется формулой Найквиста [1]. В основу работы данного термометра положено явление, называемое шумом Джонсона. Дело в том, что в любом проводнике, даже не подсоединенном к источнику тока, все равно есть некоторый ненулевой переменный ток, обусловленный термическим движением электронов. Важным для применения этого шума в измерении является, во-первых, его пропорциональность температуре проводника, а во-вторых, горизонтальный частотный спектр. То есть мощность шума не зависит от частоты тока. Подобные шумы в физике получили название "белых шумов". Зная зависимость силы тока от температуры, можно измерять последнюю с высокой точностью.
Недостатком известного способа определения температуры является необходимость использования более низкого, по сравнению с предлагаемым способом, уровня шумового напряжения в качестве информативного сигнала, что заставляет использовать более сложные схемотехнические решения.
Задача изобретения - создание способа определения температуры, на основе которого можно создавать устройства определения температуры по полупроводниковой технологии в одной технологической цепочке на кристалле микросхемы, как часть электронной схемы полупроводниковой микросхемы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе определения температуры среды, включающем измерение шумового напряжения среды и определение температуры среды согласно заранее отградуированным значениям зависимости шумового напряжения от температуры, предлагается определение температуры среды осуществлять при помощи прямосмещенного p-n-перехода, который предлагается помещать в среду, в которой необходимо измерить температуру, подключать указанный p-n-переход к стабилизированному источнику питания, изменять уровень тока через p-n-переход и регистрировать значение тока, при котором появляется высокий уровень шумового напряжения, причем указанное значение тока соответствует заранее отградуированным значениям температуры среды.
Предлагаемый способ определения уровня температуры имеет простое схемотехническое решение, особенно при создании схем защиты полупроводниковых устройств от перегрева.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 (а - вид сверху, б - вид сбоку) представлена диаграмма распределения максимумов шумового напряжения, возникающего в p-n-переходе.
На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема устройства измерения температуры на основе предлагаемого способа, где 1 - стабилизированный источник питания, 2 - устройство для измерения тока, 3 - резистор, 4 - p-n-переход, 5 - устройство для измерения напряжения.
Температура определяется по отслеживанию передвижения края максимума шумового напряжения. Возникнув при определенных температуре и токе (фиг.1), он в дальнейшем при повышении температуры "передвигается" справа налево, т.е. генерация шумового напряжения происходит на меньших токах. Анализируя появление высокого уровня шумового напряжения при определенном токе через p-n-переход, можно определять температуру полупроводниковой структуры.
К стабилизированному источнику питания 1, через устройство 2 измерения тока и резистор 3, позволяющий установить определенный уровень тока, подключается в прямосмещенном состоянии p-n-переход 4, к p-n-переходу 4 подключается устройство 5, позволяющее определять появление повышенного уровня шумового напряжения. Согласно заранее отградуированным значениям устройства 2 и показаниям устройства 5 можно определять значение температуры.
1
1
1
1
Градуировка устройства 2 осуществляется следующим образом. P-n-переход 4 помещается в термокамеру с температурой T (фиг.1б, вид сверху), изменяется уровень тока через p-n-переход 4 с помощью резистора 3 от нуля до значения, когда на p-n-переходе 4 начнется генерация повышенного уровня шумового напряжения (фиг.1б, вид сверху, значение тока I). Начало генерации повышенного уровня шумового напряжения на p-n-переходе 4 определяется устройством 5. Установленное значение уровня тока I соответствует значению температуры T. Проведя подобную операцию при других температурах, можно получить таблицу соответствия уровня тока, при котором происходит генерация повышенного уровня шумового напряжения и уровня температуры p-n-перехода 4.
Алгоритм измерения температуры следующий. P-n-переход 4 помещается в среду, в которой необходимо измерить температуру, или он заранее изготовлен на кристалле полупроводниковой микросхемы, в которой необходимо контролировать температуру. С помощью резистора 3 увеличивается ток через p-n-переход 4, когда устройство 5 сигнализирует о появлении повышенного уровня шумового напряжения, увеличение тока через p-n-переход 4 прекращается и регистрируется уровень тока на устройстве 2, согласно таблице соответствия или нанесенной на шкалу устройства 2 градуировки определяется уровень температуры в контролируемой среде.
При создании устройства контроля превышения определенного уровня температуры, устройство 2 и резистор 3 могут быть исключены, а в качестве устройства 5 может быть использован компаратор или другое устройство, определяющее появление повышенного уровня шумового напряжения и выдающее сигнал на управление схемой защиты.
Достоинством предлагаемого способа является возможность его использования при создании схем защиты полупроводниковых устройств от перегрева, в том числе, непосредственно в кристалле микросхемы.
Источники информации
1. Никитин В.А., Бойко С.В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп. - Оренбург. ГОУ ОГУ, 2004. - 462 с. ISBN 5-7410-0692-2.
2. Воронцов В.Н., Холкин В.Ю. Шумовая термоэлектродинамическая диагностика полупроводниковых приборов // РАН. Дефектоскопия, 1995, №3.