ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНИЕВОГО ДИОДА ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИЛЬНЫХ СВЧ ПОЛЯХ

July 19, 2012 by admin Комментировать »

Афонин Д. Г., Канунов Е. Р.

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Физический факультет Воробьевы Гэры, Москва, 119992, ГСП-2, Россия тел. (095)939-2094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Аннотация Приведены результаты по использованию кремниевого диода для исследования распределения электромагнитного поля и измерения температуры в сильных СВЧ полях. Описаны преимущества применения для этих целей кремниевого диода.

I.  Введение

При осуществлении технологических процессов, связанных с нагревом материалов в электромагнитных (ЭМ) полях СВЧ диапазона высокой интенсивности (в частности, размещенных в объеме микроволновой печи (МВП), часто возникает задача измерения температуры в разных пространственных областях этих материалов. Кроме того, в ряде случаев, необходимо знать распределение (ЭМ) поля в объеме МВП, одним из способов измерения которого является помещение в указанный объем термодатчика (ТД), нагрев которого пропорционален интенсивности ЭМ поля в точке его расположения.

II.  Основная часть

В качестве такого ТД в данной работе предложено использовать кремниевый полупроводниковый диод, в связи с тем, что другим ТД присущ ряд недостатков [1].

Термопара оказывается практически непригодной для измерений, осуществляемых в полях большой интенсивности из-за сильного разогрева проводников, составляющих термопару и выводу ее из строя. Этому способствует использование (у недорогих термопар) в качестве одного из проводников, сплава с высоким удельным сопротивлением, а также малого поперечного сечения проводников.

Термистор обладает очень сильно выраженной (экспоненциальной) зависимостью сопротивления от температуры, что затрудняет его применение для температурных измерений.

В предложенном варианте ТД, на основе кремниевого полупроводникового диода, используется факт зависимости напряжения на прямосмещенном р-n переходе от температуры окружающей среды (при обеспечении постоянства тока, протекающего через этот переход). Характеристики такого ТД следующие:

-температурный диапазон: 0.. + 150 С;

–    высокая степень линейности в указанном диапазоне температур;

–  малые размеры датчика, позволяющие достигать высокого пространственного разрешения;

–  малая временная инерционность, обусловленная коротким временем нагрева ТД с малыми геометрическими размерами;

– простота, надежность, малая стоимость датчика.

В измерениях использовалась мостовая схема,

содержащая полупроводниковый кремниевый диод. Сигнал, пропорциональный температуре, снимался с диагонали моста и подавался на устройство обработки и индикации.

ТД может быть использован в двух режимах.

1. В режиме измерения собственно температуры. При этом ТД размещается внутри некоторого материала, в точке, температура которой должна быть измерена.

2.  В режиме измерения интенсивности ЭМ поля. Если ТД окружить некоторым хорошо поглощающим материалом небольшого объема, то ТД может, фактически, играть роль датчика ЭМ поля (ЭМПдатчика), так как его нагрев будет пропорционален интенсивности ЭМ поля в данной точке. Перемещая ЭМП-датчик внутри объема пространства, где присутствует СВЧ поле, можно измерять распределение этого поля.

В качестве поглощающего материала на СВЧ могут быть использованы как твердые материалы (например: резина, пластилин), так и жидкие (например: небольшой объем воды в пробирке, внутри которой расположен датчик). Но наиболее оптимальным из всех поглощающих материалов (среди доступных и относительно недорогих), как выяснилось из большого ряда экспериментов, оказалась смесь эпоксидной смолы с наполнителем из активированного угля (в соотношении 7:3; слишком большое количество угля делает датчик хрупким, а слишком малое не обеспечивает достаточную степень поглощения ЭМ поля).

Необходимость окружения кремниевого диода сильнопоглощающей диэлектрической оболочкой обусловлена требованием достижения высокой изотропности ТД (в противном случае, нагрев кремниевого диода, являющегося, вообще говоря, частным случаем короткой штыревой антенны, может зависеть от поляризации ЭМ поля в месте его расположения).

На рис.1, представлены результаты экспериментов по измерению распределения ЭМ поля внутри МВП с помощью эпоксидного ЭМП-датчика на основе кремниевого диода, перемещаемого внутри ее объема вдоль прямой линии. По оси ординат отложена величина приращения температуры датчика, (по сравнению с исходной температурой окружающей среды), пропорциональная интенсивности ЭМ поля внутри МВП. На рис.1, отчетливо видна периодичность распределения ЭМ поля внутри МВП.

В качестве ЭМП-датчика наиболее оптимальным образом зарекомендовал себя кремниевый диод КД522, обладающий следующими достоинствами:

–  стеклянный корпус (нагреву подвергается, по сути, только р-n переход, что обеспечивает малую тепловую инерцию);

– малые геометрические размеры (хорошее пространственное разрешение);

–  стабильный температурный коэффициент напряжения, мало отличающийся у разных экземпляров диодов.

СВЧ энергия в объем МВП подавалась от магнетрона, работающего на частоте около 2,5 ГГц и имеющего максимальную выходную мощность 1 кВт.

III.  Заключение

Предложен и экспериментально проверен простой и надежный метод измерения температуры и распределения ЭМ поля внутри объема пространства с СВЧ полем большой интенсивности, где в качестве термои ЭМП-датчика используется кремниевый полупроводниковый диод, помещенный в оболочку из эпоксидной смолы с графитовым наполнителем.

Погрешность измерения температуры составила: + 3.0 град. С при подаче сигнала с датчика непосредственно на устройство индикации; + 0.5 град. С при использовании определенных схемотехнических средств (стабилизированный источник питания; применение прецизионного малошумящего усилителя с малым температурным дрейфом; тщательное экранирование; компенсация слабых нелинейностей и т.д.).

Погрешность измерения пространственного распределения ЭМ поля определялась размером эпоксидной оболочки диода, и в приведенных экспериментах составляла +2 мм при частоте ЭМ поля около 2,5 ГГц.

IV.  Список литературы

[1]  Зи,С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн.,

2-е изд. М.: Мир, 1984.

APPLICATION OF SILICON DIODE FOR TEMPERATURE MEASUREMENTS IN STRONG MICROWAVE FIELDS

Afonin D. G., KanunovYe. R.

Physics Department, Moscow State University

Vorobyovy Gory, Moscow, GSP-2, Russia, 119992 phone +7 (95) 9392094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Abstract This paper discusses the application of silicon diode in the research of EM distribution and temperature measurements in strong microwave fields. Advantages of using silicon diodes for these purposes are outlined.

I.  Introduction

Temperature and EM-field distribution measurements in microwave fields are often required at present. Problems encountered during these procedures may be tackled by placing a sensor element in the field.

II.  Main part

Several types of sensor elements have been tested, including thermocouple, thermistor, etc., but all of them have displayed a number of drawbacks. We have focused on a silicon diode as an optimal sensor element which in the process of measurements was connected to a bridge circuit.

The silicon diode was used in two modes:

1.     Temperature measurements.

2.Electromagnetic intensity measurements, in which case it is necessary to cover the diode with strong absorber.

III.  Conclusion

Silicon diodes may be used as high-quality sensor elements in temperature measurements and during electromagnetic investigations (if placed inside a strong absorber shell made, for example, of graphite and epoxy resin mixture).

The error in temperature measurements, depending on the complexity of experimental setup, was ±0.5…3.0°C; the error in the EM field space resolution measurements was ±2mm at the frequency of about 2.5GHz.


Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты