DE2133635B2 - Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung eines Körpers - Google Patents

Description

erfindungsgemäßen Vorrichtung den Referenzkontakt eines Thermoelements anzuordnen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der

45 Figuren dargestellt.

F i g. 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung Vorrichtung, und zwar in der Verwendung als Thertur Temperaturkonstanthaltung eines Körpers, mit mostat für den Referenzkontakt eines Thermoele-Hem ein Transistor als Heizelement und eine Diode ments;

mit temperaturabhängigen Eigenschaften in gutem 50 F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild für den Betrieb Wärmekontakt stehen, wobei die elektrischen An- einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
»chlüsse der Diode mit der Basis und dem Emitter F i g. 3 zeigt die Aufsicht einer erfindungsgemäßen

des Transistors elektrisch verbunden sind, so daß die Vorrichtung auf bzw. in dem Substrat einer integrier-Emitter-Basis-Strecke mit der Diode elektrisch über- ten Schaltung.

brückt ist. 55 In F i g. 1 ist mit 1 der Körper bezeichnet, der von

Zur Temperaturkonstanthaltung, insbesondere bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer kon-(sinem Thermostat, ist bereits die Verwendung von stanten Temperatur gehalten werden soll. Insbelogenannten Kaltleiterbauelementen auf der Basis sondere ist dieser Körper eine Platte aus Kupfer. Mit tiotierten Bariumtitanats vorgeschlagen worden, 3 ist ein Halbleiterkörper bezeichnet, in dem sich Diese Kaltleiter haben in einem bestimmten Tempe- 60 der Transistor befindet. Der Körper 3 ist mit schemaraturbereich eine starke Änderung ihres elektrischen tisch angedeuteten Elektroden S und 7 als Basis und Widerstandes. Die Steilheit des Anstieges des elek- Emitter dieses Transistors versehen. Als Kollektortrischen Widerstandes ist ein Maß für die mit Kalt- anschluß ist der Körper 1 wirksam. In dem Falle, daß leitern erreichbare Temperaturkonstanz. Auf Grund der Körper 1 elektrisch nichtleitend ist ist eine zuteiner elektrischen Eigenschaften kann der Kaltleiter 65 sätzliche Elektrode an dem Körper 3, z. B. auf der außerdem auch als wärmeerzeugender Heizkörper den Elektroden 5 und J gegenüberliegenden Seite eingesetzt werden. des Halbleiterkörpers vorgesehen. Mit 9 ist die Diode

In der DT-OS 15 23410 ist eine Schaltung be- aus der Substanz mit anomalem Leitfähigkeitssprung

bezeichnet, an der die elektrischen Anschlüsse Il und 13 dieser Diode angebracht sind. Die Diode ist aus einkristallinera Vanadiumdioxid in der Form einer Nadel 91 ausgeführt Die Nadel 91 befindet sich in der Nähe des Halbleiterkörpers 3 des Transistors und steht mit diesem in gutem Wärroekontakt. Elektrisch ist die Nadel 91 der Diode 9 (abgesehen von den Verbindungen dieser Anschlüsse mit den Anschlüssen des Transistors) jedoch gegenüber dem Körper 3 isoliert angebrachL Die Nadel 91 ist in eine elektrisch relativ gut isolierende Wärmeleitpaste 16 eingebettet, die auch den Halbleiterkörper 3 wenigstens einseitig umschließt. Die Wärmeleitpaste 16 vermittelt außerdem auch einen guten Wärmekontakt zu dem Körper 1. Derartige Pasten sind bekannt und handeisüblich.

Mit 15 und 17 sind Kontaktstifte bezeichnet, die elektrisch isoliert durch den Körper 1 hindurchgeführt sind. Mit dem Kontaktstift 15 ist die Elektrode 5 durch die Leitung 6 und der Anschluß 11 durch die Leitung 12 elektrisch verbunden. In entsprechender Weise sind durch die Leitun^sn 8 und 14 der Kontaktstift 17 mit der Elektrode 7 und dem Anschluß 13 verbunden. Mit 18 ist ein Anschlußstift für den elektrischen Anschluß des Kollektors bezeichnet.

Mit 19 ist der Referenzkontakt eines Thermoelements mit den Schenkeln 20 und 21 bezeichnet. Dieser Referenzkontakt steht mit dem Körper 1, z. B. durch eine Lötverbindung oder mittels einer Wärmeleitpaste 16, in gutem Wärmekontakt. Der Referenzkontakt 19 kann auch unmittelbar an dem Halbleiterkörper angeordnet sein.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels einer Kappe 25 gegenüber der Umgebung abgedeckt.

F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild für den Betrieb einer der Erfindung gemäßen Vorrichtung. Mit 31 ist der Transistor bezeichnet, der beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 durch den Halbleiterkörper 3 mit den Elektroden 5 und 7 gebildet wird. Die An-Schlüsse des Transistors 31 tragen in F i g. 2 die Bezeichnungen der Leitungen 6, 8 und des Stiftes 18 aus F i g. 1. Mit 35 ist ein Widerstand bezeichnet, der zusammen mit der Diode 9 eine Spannungsteilung für den Basisanschluß 6 bewirkt. Eine an der erfindungsgemäßen Vorrichtung anliegende elektrische Gleichspannung 37 bewirkt einen elektrischen Stromfluß durch den Transistor 31, dessen Stromstärke durch das Widerstandsverhältnis der Diode 9 und des Widerstandes; 35 zueinander bestimmt ist. Solange der elektrische Widerstand der Diode 9 groß ist, fließt ein starker elektrischer Strom durch den Transistor hindurch, der diesen erheblich aufheizt. Durch die Erwärmung dieses Transistors wird auch der Körper 1 und die Nadel 91 der Diode 9 mit erwärmt. Sobald jedoch die Temperatur des Leitfähigkeitssprunges der Substanz der Nadel 91 erreicht ist, wird die Diode 9 niederohmig und der Transistor elektrisch gesperrt. Im eingeregelten Zustand wird der Halbleiterkörper 3 und damit der Körper 1 und die Nade! 91 genau auf der Temperatur des Leitfähigkeitssprunges gehalten.

Bei Vanadiuradioxid (VO₈) als Substanz für die Diode beträgt diese Temperatur 65,5° C. Vanadiumdioxid hat diesen Temperaturwert für den anomalen Leitfähigkeitssprung. In an sich bekannter Weise kann der Temperaturwert des Leitfähigkeitssprunges auch durch Dotierungen der Substanz verändert sein. Zum Beispiel kann bei Vanadiumdioxid durch Dotierung mit Chrom die Temperatur des Sprunges, abhängig vom Dotierungsgrad, auf Werte zwischen 200 und 500° K verschoben werden.

F i g. 3 zeigt in einer Aufsicht ein Ausführungsbeispiel für die bevorzugte Verwendung einer der Erfindung gemäßen Vorrichtung als Thermostat in einer integrierten Schaltung. Die Einzelheiten dieser Ausführungsform sind der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich schematisch angedeutet. Mit 41 ist das beispielsweise n-Ieitende Substrat einer integrierten Schaltung bezeichnet. Der in F i g. 1 angegebene Halbleiterkörper 3 ist bei dieser Ausfuhrungsform ein integraler Bestandteil dieses Substratkörpers 41. Die Nadel 91 der vorgesehenen Diode 9 befindet sich in einer Ebene dicht oberhalb des Substratkörpers 41 und ist in eine, wie bereits erwähnte, auf dem Substrat befindliche Wärmeleitpaste eingebettet. Die elektrischen Anschlüsse von Emitter 7 und Basis 5 des als Heizung dienenden Transistors 31 sind, wie an sich bekannt, durch entsprechende Leiterbahnen 6 und 8 auf oder in dem Substrat realisiert.

Bei integrierten Schaltungen ist der Heiztransistor 31 im Regelfall gegenüber der vorgesehenen Diode 9 sehr klein, so daß die Nadel 91 dieser Diode über diesen weit hinausragt, wie dies aus der F i g. 3 ersichtlich ist. In F i g. 3 sind auch die /elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlüssen 11 und 13 der Diode und den Leitungen 6 und 8 zum Transistor zu entnehmen.

Der Substratkörper 41 ist beispielsweise 1 mm² groß, der Transistor nimmt etwa die Fläche 10~² mm² ein, und die Nadel 91 hat etwa die Abmessung 1 mm X 3 · 10-* mm X 3 · 10"« mm.

Durch die Kreise 43 sind sonstige Schaltelemente der integrierten Schaltung angedeutet, die in der jeweiligen gewünschten Weise miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung auf dem Substrat bewirkt, daß bei Anliegen einer entsprechend elektrischen Spannung an dem Transistor 31 dieser das Substrat 41 in der oben angegebenen Weise auf die durch die Substanz der Nadel 91 bestimmte Temperatur erwärmt. Gegebenenfalls sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen über die Oberfläche des Substrates verteilt angeordnet, wodurch eine flif:henmäßig noch gleichmäßigere Temperaturkonstanthaltung des Substratkörpers 41 möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

schrieben, in der ein Transistor als Heizelement Patentansprüche: verwendet wird, wobei sich parallel zui-BmI8- r Emitter-Strecke des Transistors ein nicht näher an-

1. Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung gegebener ^^S^SSSS^SJA •ines Körpers, mit dem ein Transistor als Heiz- 5 det. Alsi derartiger.

.lement und eine Diode mit temperaturabbängi- sind z. B. Ri«*üejter-

ten Eigenschaften in gutem Wärmekontakt ste- dies aus der DT-AS■ ^

Een, wobei die elektrischen Anschlüsse der Diode der genannten deutsch^e* Of ^^f*f* ³^ ^v°^r"

Büt der Basis und dem Emitter des Transistors bekannt beschriebene ^*»B wrd (tort^m Jf

elektrisch verbunden sind, so daß die Emitter- » Weise weitergebildet ^d?\ ™ K°"™^{reis der}

Basis-Strecke mit der Diode elektrisch überbrückt Schaltung eine Zenerdiode hinzugefügt wird.

ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aus der US-PS 3339 164 sind eine grüße Anzahl

Diode (9) aus Vanadiumdioxid mit anomalem von Materialien bekannt die einen emperaturabhan-

Sprung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen gigen Widerstandsverauf haben. Unter anderem ist

ist, daß das Vanadiumdioxid in Form einer dün- x₅ dort auch das Vanadiumdioxid als derartiges Mate-

nen Nadel ausgeführt ist und daß der Wärme- rial angegeben. Nähere Einzelheiten über dieses Ma-

kontakt durch Einbettung der Nadel in eine terial sind der Zeitschrift »Phys. Rev. Lett.«, Bd. 3

Wärmeleitpaste bewirkt isL (1959), S. 34 bis 36, zu entnehmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung kennzeichnet, daß das Vanadiumdioxid mit ao _ZUr Temperaturkonstanthaltung eines Korpers anzu-Chrom dotiert ist. geben, die trotz einfachen Aufbaues eine noch höhere

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Temperaturkonstanz ermöglicht.

durch gekennzeichnet, daß als Transistor ein Die Aufgabe wird bei einer wie eingangs angege-

FeldeSekttransistor vorgesehen ist. benen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst,

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 15 daß eine Diode aus Vanadiumdioxid mit anomalem bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der tempera- Sprung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen ist, turkonstant zu haltende Körper ein Halbleiter- daß das Vanadiumdioxid in Form einer dünnen körper (3) ist, in dem sich der Transistor (31) als Nadel ausgeführt ist und daß der Wärmekontakt integriertes Bauelement befindet. durch Einbettung der Nadel in eine Wärmeleitpaste

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 30 bewirkt ist. Das Wesen der Erfindung liegt in der bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vereinigung dieser Merkmale.

Transistoren (31) zur Wärmeerzeugung, Vorzugs- Insbesondere ist das Vanadiumdioxid mit Chrom

weise örtlich verteilt, vorgehen sind. dotiert. Vorzugsweise ist als Transistor ein FeId-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 effekttransistor vorgesehen. Gemäß einer speziellen bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kör- 35 Ausgestaltung kann der temperaturkonstant zu halper (1 bzw. 3) der Referenzkontakt (19) eines tende Körper ein Halbleiterkörper sein, in dem sich Thermoelements angeordnet ist. der Transistor als integriertes Bauelement befindet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 Es können auch mehrere Transistoren zur Wärmebis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel erzeugung vorgesehen sein, die vorzugsweise örtlich aus Vanadiumdioxid eine Abmessung von etwa 40 verteilt sind.

1 mm X 3 · 10~² mm X 3 ■ 10~* mm hat. Von besonderem Vorteil ist es, an dem Körper der