CC BY
39Алексеев В.П.
Использование эффекта минимальной статической ошибки регулирования температуры в повышении точности электронных устройств в интегральном исполнении
В работе рассматривается применение эффекта минимальной статической ошибки регулирования температуры при топологической термокомпенсации термочувствительных электрорадиоэлементов на конструктивном уровне с целью минимизации температурной погрешности термостатируемых электронных устройств, выполненных в интегральном исполнении. Эффект выявлен нами при проведении численного моделирования двухмерных нестационарных температурных полей термостабильной подложки с учетом реальных механизмов теплообмена для пропорционального регулятора температуры [1].
1. Введение
Термокомпенсация, как метод повышения температурной устойчивости, основана на взаимном уравновешивании влияния элементов на выходные параметры системы. Условиями термокомпенсации являются [2]:
A(aTlj) = f2(aTpk), (1)
I <*Тц 1= V I > причем aTlJ а ' Трк,
где f(aTj), f2(aTpk) - законы изменения коэффициентов влияния ij и pk параметров соответственно.
Законы изменения термозависимых параметров описываются функцией д /. (Т) / 8 1 и могут быть линейными:
U, = Эо ±« ,А \
где а - температурный коэффициент; Ui0 - номинальное значение термозависимого параметра; Д 1 - диапазон рабочих температур, и
нелинейными:
и, = J,o±a.
,,.Л ' ± а ЛД
+ ... + а пА
2
n
(2)
где а Тг - коэффициенты, отражающие нелинейность.
По виду (2) можно сделать вывод [1], что с расширением диапазона рабочих температур А ’ термокомпенсация затруднена, так как вероятность полного совпадения законов изменения термозависимых параметров элементов мала.
Характер температурного поля компоновочного пространства, занимаемого электрорадиоэлементами (сокращено ЭРЭ) зависит от многих
факторов - теплофизических параметров конструкции устройств и элементов, их тепловыделений, внешних условий теплообмена, координат каждого элемента и др. С учетом этого условия термокомпенсации (1) усложняются:
\l(,aTij) ^ ^Т2 K(aipi).5 О)
I ату 1= V I > причем aTij л ' Tpki
где ФХ1, Фт2 - законы изменения рабочей температуры рассматриваемых элементов с учетом их компоновки.
Таким образом, термокомпенсация, как возможный путь обеспечения температурной стабильности, неразрывно связана с топологическим и температурным проектированием. В ходе температурного проектирования определяются функции ФХ{, необходимые для обеспечения условий
термокомпенсации (3). Очевидно, что с учетом вышеизложенного метод термокомпенсации имеет большую эффективность на уровне ЭРЭ и при сужении температурного диапазона, так как уменьшается влияние нелинейностей, то есть коэффициентов a_Tr. a Tl.
Целью настоящей работы является генерация идей на уровне изобретений для решения проблемы повышения точности работы электронных устройств в интегральном исполнении на основании эффекта минимальной статической ошибки регулирования температуры для минимизации температурной погрешности устройства. Суть эффекта минимальной статической ошибки регулирования температуры термостабильной подложки заключается в том, что при размещении датчика температуры между нагревателем и краями подложки, имеет место область, не зависящая от изменения температуры внешней среды и точности регулирования, задаваемой регулятором температуры. Данная область имеет прямую зависимость от взаимного размещения датчика температуры и нагревателя и от теплопроводности материала термостабильной подложки [2]. Под статической ошибкой регулирования температуры (£ г)
понимается любое изменение температуры в локальном месте термостабильной подложки вызванное изменением температуры внешней среды (ТВН). При расположении датчика температуры в зоне нагревателя (согласно рис. 1), максимальное значение статической ошибки регулирования температуры (т.е. S ТМАХ) наблюдается на краях подложки. Таким образом, появляется возможность, изменяя относительное расположение датчика и нагревателя на подложке, изменять зону минимальной статической ошибки [1-4].
Рис. 1. Геометрия области решения (вид сверху): 1 - область нагревателя;
2 - датчик температуры; 3 - область термостабильной подложки
Обобщенная физическая модель исследуемого класса микротермостатируемых электронных устройств приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Обобщенная физическая модель:
1 - термостатируемая схема; 2 - схема регулирования температуры; 3 -корпус; 4 - теплоизоляция; 5 - выводы; 6 - термостабильная подложка
На рисунках 3 и 4 приведены результаты численного моделирования температурного поля термостабильной подложки для двух материалов подложки - керамика ВК-94 и ВеО, отличающихся теплопроводностью. Для более высокой теплопроводности, характерной для ВеО, в том же самом диапазоне изменения температуры внешней среды А 'вн = 0...100 К зона минимальной статической ошибки на подложке находится значительно ближе к нагревателю [1].
Рис. 3. Распределение температуры термостабильной подложки (керамика ВК-94) вдоль оси ОХ при А 'вн = 0... 100 К (сверху вниз), с шагом 20 К
Рис. 4. Распределение температуры термостабильной подложки (ВеО) вдоль оси ОХ при А 'вн = 0... 100 К (сверху вниз), с шагом 20 К Таким образом, нами на основании компьютерного моделирования температурного поля термостабильной подложки обнаружен эффект минимальной статической ошибки регулирования. На основании этого эффекта, меняя взаимное расположение нагревателя и датчика и используя дополнительные конструктивные признаки, были получены новые технические решения на уровне изобретений, которые позволяют повысить точность электронных устройств различного назначения в интегральном исполнении за счет уменьшения температурной погрешности. Ниже приведены формулы изобретений по этим патентам.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 [6]
Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, содержащее подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные с ней датчик температуры и нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, отличающееся тем, что подложка и пленочный нагреватель выполнены в форме прямоугольников,
нагреватель расположен на продольной оси подложки по всей ее длине, один конец нагревателя соединен непосредственно с общим для всего устройства проводником, а другой конец - через блокировочный конденсатор, датчик температуры расположен у края подложки на ее поперечной оси, а две области, занимаемые термостатируемыми элементами, расположены по всей длине подложки симметрично относительно ее продольной оси и ограничены четырьмя прямыми линиями, визуально различимыми от остальных элементов рабочей поверхности подложки, расстояния до которых определяют путем расчета или экспериментального измерения температурного поля подложки.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 2 [7]
1. Устройство стабилизации температуры электрорадиоэлементов, содержащее подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор-нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, отличающееся тем, что подложка выполнена в форме квадрата, транзисторнагреватель расположен на рабочей поверхности подложки в центральной ее части, датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки и на рабочую поверхность подложки нанесены границы кольцевой термостатируемой области в виде двух центральных концентрических окружностей, визуально различимых от остальных частей рабочей поверхности подложки, радиусы которых определяют путем расчета или экспериментальных измерений температурного поля подложки.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик температуры расположен в одном из углов подложки
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 3 [8]
Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, содержащее общий для всего устройства проводник, диэлектрическую подложку, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, схему регулирования температуры, имеющую три вывода, первый из которых соединен с общим проводником, датчик температуры, соединенный со вторым выводом схемы регулирования температуры, блокировочный конденсатор, первый вывод которого соединен с общим проводником, а второй вывод - с третьим выводом схемы регулирования температуры, нагреватель, выполненный в виде прямоугольной резистивной пленки, один конец которого соединен с общим проводником, а другой конец - со вторым выводом блокировочного конденсатора, отличающееся тем, что резистивная пленка нагревателя расположена на всей тыльной поверхности диэлектрической подложки, и в состав устройства дополнительно введены термостатируемый, имеющий высокий коэффициент теплопроводности, диэлектрический слой с расположенными внутри него элементами схем и/или микросборок, расположенный на всей рабочей поверхности
диэлектрической подложки, первый теплоизоляционный слой, расположенный на всей внешней поверхности нагревателя, и второй теплоизоляционный слой, расположенный на внешней поверхности названного термостатируемого слоя, а датчик температуры расположен на внешней поверхности второго теплоизоляционного слоя в ее центре.
Выводы
1. Современная изобретательская деятельность может быть основана не только на «озарении» автора на основе эмпирических подходов к генерации идей, но и на основе компьютерного моделирования физических процессов в объекте изобретения.
2. Компьютерное моделирование позволяет глубоко изучить объект изобретения, выявить закономерности, явления, эффекты в нем и синтезировать новые технические решения, положенные в основу нескольких новых изобретений.
Литература
1. Alekseev V.P. Simulation of nonstationary temperature fields of a thermostable substrate for a proportional temperature regulator / V.P. Alekseev, V.M. Karaban // Journal of Engineering Thermophysics, 2008, Vol. 17, No. 3,
2. В.П. Алексеев, В.М. Карабан. Топологическая термокомпенсация в гибридно-пленочном микротермостате, содержащем термостабильную подложку / // Известия вузов. Радиоэлектроника, 2008. Т. 51. №. 11. С. 18-25.
3. Alekseev V.P., Karaban V.M. Topological Thermal Compensation in a Hybrid-Film Micro Thermostat Containing Thermally Stable Substrate / V.P. Alekseev, V.M. Karaban // Radioelectronics and Communications Systems, 2008, Vol. 51, No. 11, pp. 585-589.
4. Алексеев В.П., Карабан В.М. Исследование влияния конструктивнотехнологических факторов на точностные параметры гибридно-пленочного микротермостата // Известия вузов. Приборостроение, 2009. №7. - С. 70-75.
5. Алексеев В.П. Системное проектирование термоустойчивых радиотехнических устройств и систем. - Томск: Издательство Института оптики атмосферы СО РАН, 2004. - 316с.
6. В.П. Алексеев, В.М. Карабан, В.Г. Козлов. Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок / Патент Российской Федерации на изобретение № 2348962. - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2009.
7. В.П. Алексеев, В.М. Карабан, В.Г. Козлов. Устройство для стабилизации температуры электрорадиоэлементов / Патент Российской Федерации на изобретение № 2355016. - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2009.
8. Козлов В.Г., Алексеев В.П., Озеркин Д.В., Козлов Г.В. Патент на изобретение № 2461047 «Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок».
