CC BY
9
УДК 621.317.39
А.И. Чередов, A.I. Cheredov, e-mail: aicher@mail.ru А.В. Щелканов, A.V. Shchelkanov, e-mail: shchelkanov@omgtu.ru Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ
ВИНТОВОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАЗМЫ
FREQUENCY DISPLACEMENT CONVERTERS ON THE BASIS OF SCREW INSTABILITY OF SEMICONDUCTOR PLASMA
Описаны возможные варианты создания преобразователей линейных перемещений на основе винтовой нестабильности в электронном германии. Чувствительность преобразователей достигает (1.. .2) кГц/мм в диапазоне (0...5) мм. Амплитуда полезного сигнала (1.3) В.
Possible versions of the creation of the converters of linear displacements on the basis of screw instability in electronic germanium are described. The sensitivity of converters reaches (1.2) kGts/mm in the range (0.5) mm. Amplitude of useful signal (1.3) V.
Ключевые слова: винтовая нестабильность, осциллистор, преобразователь, линейных перемещений, чувствительность
Keywords: screw instability, oscillistor, converter, linear displacements, sensitivity
Первичные измерительные преобразователи, информативным параметром выходного сигнала которых является изменение его частоты, благодаря своим положительным свойствам, находят очень широкое применение в области измерений различных электрических и неэлектрических величин. Построение подобных преобразователей возможно на основе различных физических эффектов, например, на основе эффектов Джозефсона и Ганна. Данная работа посвящена рассмотрению возможности построения преобразователей перемещения на основе винтовой неустойчивости электронно-дырочной плазмы полупроводникового образца.
В 1958 году Ю.Л. Иванов и С. М. Рывкин обнаружили явление возбуждения колебаний тока, протекающего по стержню из электронного германия, помещенного в продольные электрическое и магнитное поля [1]. Причем колебания возникали только тогда, когда значения напряженностей электрического и магнитного полей становились больше некоторых пороговых значений. Этот эффект, который получил название «осциллисторный эффект», позднее был обнаружен и в других полупроводниках (Si, InSb) и объяснен возникновением абсолютной винтовой нестабильности полупроводниковой (электронно-дырочной) плазмы в магнитном и электрическом полях [2]. Полупроводниковые образцы, в которых наблюдается данный эффект, в литературе получили название осциллисторов.
Одним из условий возникновения винтовой нестабильности является наличие электронно-дырочной плазмы с определенными параметрами, которая может создаваться различными способами, например, инжекцией носителей заряда с инжектирующего контакта, освещением всего образца или его части и другими. Частота колебаний тока зависит от напряженности электрического и магнитного полей, поперечного размера образца и параметров полупроводниковой плазмы в месте возникновения винтовой нестабильности плазмы [3]. Вывод колебаний тока (осциллисторных колебаний) во внешнюю цепь может осуществляться различными способами. На рис. 1 показано несколько примеров вывода осциллисторных колебаний во внешнюю цепь.
54
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Вариант, показанный на рис. 1, а, требует выполнения двух электродов на торцевых гранях осциллистора и выходной сигнал (переменное напряжение) снимается с резистора R. Вариант (рис. 1, 6) требует трёх контактов, один из которых выполняется на боковой поверхности осциллистора и обеспечивает большую амплитуду выходного сигнала по сравнению с первым вариантом. Наибольшую амплитуду полезного сигнала позволяет получить вариант с двумя боковыми контактами, показанный на рис. 1, в. Амплитуда выходного сиг-
нала в этом случае может достигать единиц вольт.
и 6
Рис. 1. Способы вывода осциллисторных колебаний
Эти свойства осциллисторного эффекта позволяют построить преобразователи различных величин, например, магнитной индукции [4], температуры [5].
При осуществлении инжекции плазмы с бокового инжектирующего контакта в переменный по длине сечения образец и увеличении инжектирующего тока место возникновения винтовой нестабильности смещается в сторону с большим поперечным сечением. При этом частота осциллисторных колебаний уменьшается. На рис. 2 приведена экспериментальная зависимость частоты от инжектирующего тока J для образца квадратного сечения из электронного германия с удельным сопротивлением 0,45 Омм.
Рассмотренное свойство может быть использовано для построения преобразователя перемещения с частотным выходным сигналом. На рис. 3 схематично показано устройство подобного преобразователя. Ток инжекции может задаваться величиной сопротивления резистора Я, включенного между инжектирующим контактом р - типа и торцевым омическим контактом осциллистора, подключенным к положительному полюсу источника напряжения. Подвижный электрод резистора Я связан с объектом, перемещение которого измеряется.
0.5 1,0 1,5 2,0 /,мА
Рис. 2. Зависимость частоты от инжектирующего тока
Рис. 3. Преобразователь линейных перемещений
55
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Частота колебаний обратно пропорциональна поперечному размеру «а» осциллистора вместе возникновения винтовой нестабильности (/ ~ к/а) [2]. Получение линейной зависимости частоты / от перемещения может быть достигнуто соответствующим выбором профиля поперечного сечения осциллистора. Второй путь предполагает использование резистора Я, сопротивление которого нелинейно связано с перемещением X.
При создании электронно-дырочной плазмы лучом света определенной интенсивности, перемещение луча от положительного торцевого контакта осциллистора к отрицательному приводит к смещению места возникновения винтовой нестабильности в область с большей концентрацией носителей зарядов. Это приводит к уменьшению частоты колебаний тока. На рис. 4 показана зависимость частоты / от места положения луча света на образце из германия и-типа. Это свойство также может быть использовано для построения преобразователей перемещения в частоту
/
кГц 28
24
20
16
0 1 3 1 > X мм
Рис. 4.Зависимость частоты от перемещения источника света
Рис. 5. Преобразователь линейных перемещений
Перемещение луча света вдоль осциллистора может осуществляться различными способами. На рис. 5 представлен один из возможных вариантов выполнения частотных преобразователей перемещения.
Получение линейной зависимости частоты / от перемещения Х может быть осуществлено, так же как и для преобразователей, описанных выше, соответствующим профилированием чувствительного элемента (осциллистора) преобразователя[6].
Для проведения экспериментальных исследований чувствительный элемент преобразователей перемещения (осциллистор) выполнялся из германия и-типа с удельным сопротивлением (0,40...0,45) Омм в виде бруска размерами (0,8...1,0)х(0,8...1,0)х(5...7) мм . Омические контакты выполнялись из чистого Бп, а инжектирующий из чистого 1п. Все контакты изготавливались вплавлением в вакууме не ниже 10-5 мм рт. ст. Чувствительный элемент располагался в магнитном поле, создаваемом с помощью постоянных магнитов из сплава со8ш5. помещенных в корпус трубчатого типа из магнитномягкого железа. Максимальный размер корпуса не превышал (20.25) мм.
При проведении экспериментальных исследований с целью уменьшения нагрева чувствительного элемента питание преобразователя осуществлялось в импульсном режиме с длительностью прямоугольных импульсов (1.4) мс с частотой повторения 10 Гц и амплитудой (30...50)В.
В рассмотренных преобразователях чувствительность к перемещению в диапазоне (0.6) мм достигает 4 кГц/мм. Чувствительность может быть повышена при увеличении начальной частоты колебаний тока в осциллисторе. Это достигается уменьшением поперечного
размера осциллистора и увеличением напряженности электрического и магнитного полей.
56
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014 Библиографический список
1. Иванов Ю.Л. Возникновение колебаний тока в образцах германия, помещенных в электрическое и продольное магнитное поле / Ю.Л. Иванов, С.М. Рывкин // ЖТФ. - 1958. -Т. 28. - Вып. 4. - C. 774-775.
2. Hurwitz С. E. Grawing helical density waves in semiconductor plazmas / С. E. Hurwitz , A.L. Mc Whorter // Physical Review. A. - 1964. -Vol. 134A. - P. 1033 - 1050.
3. Викулин И.М. Частота винтовой нестабильности в осциллисторе / И.М. Викулин, Л.Л. Люзе, В.А. Преснов // ФТП. - 1960. - Т. 2. - С. 1138-1143.
4. Чередов А.И. Преобразователь магнитной индукции с частотным выходом [Текст]/А.И. Чередов//Приборы и методы контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте: материалы всероссийской начно-технической конференции с международным участием. - Омск : РИО ОмГУПС, 2013. - С. 219-223.
5. Щелканов А.В., Чередов А.И. Датчик температуры на основе осциллисторного эффекта // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. - Омск : ОмГТУ, 2011. -№ 1. - С. 247-250.
6. Чередов А.И. Первичные измерительные преобразователи: учеб. пособие / А.И.Чередов, А.В.Щелканов. - Омск : ОмГТУ, 2010. - 92 с.
