загрузка...
 
Терморезистори із від’ємним і додатним термічним коефіцієнтом опору
Повернутись до змісту

Терморезистори із від’ємним і додатним термічним коефіцієнтом опору

Згідно зі стандартом Міжнародної електротехнічної комісії терморезисторами з від’ємним ТКО називаються напівпровідникові резистори, опір яких зменшується при підвищенні температури, а ТКО має величину 3-6 %/К. Відмітимо, що така величина ТКО приблизно в 10 разів більша порівняно з Pt i Ni датчиками. Терморезистори складаються із суміші спечених полікристалічних оксидів (наприклад, Fe2O3, TiO2, NiO i CoO із Li2O, Zn2TiO4 і т.п.). Процес спікання здійснюється при t @ 1000 – 1400оС, потім виготовляються контакти на основі срібної пасти. Для забезпечення стабільності терморезистори після спікання проходять спеціальні режими обробки. Оскільки температурна залежність опору має експоненціальний характер R(T) ~ exp(B/T), де В – константа матеріалу терморезистора, то співвідношення для ТКО матиме такий вигляд:

b = - B/T2.(3.11)

Важливою характеристикою для терморезистора є його вольт-амперна характеристика (рис. 3.4). Вона описує зв’язок між струмом через датчик і падінням напруги на ньому. До величини сили струму 1 мА вольт-амперна характеристика має лінійний характер, оскільки при таких струмах не відбувається самонагрівання.

 

Рисунок 3.4 – Вольт-амперна характеристика терморезистора із від’ємним ТКО

Нелінійна ділянка характеристики виникає через самонагрівання терморезистора.

Однією із характеристик ТО є т.зв. робоча характеристика – залежність опору від температури. Як уже відмічалося, вона має експоненціальний характер. Однак виявляється, якщо до ТО підключити послідовно чи паралельно додатковий опір, який майже не залежить від температури, то робочу характеристику ТО можна лінеаризувати. Питання про лінійність робочої характеристики є принциповим, і тому постійно ведеться пошук нових матеріалів із від’ємним ТКО і лінійною залежністю R(T), а також іншими покращеними характеристиками (низькі температури, малі похибки при вимірюванні температури в магнітному полі  тощо). Так, згідно з інформацією фірми Lake Shore Cernox (США) нею розроблений плівковий термодатчик на основі кераміки і парамагнітного металу (моделі СХ-1030 і СХ-1050) для інтервалу температур 0,05-325 К (точність – 0,05% від температури вимірювання). На даний ТО магнітне поле майже не впливає. Георгієв та ін. описують розроблені ними п’ять типів кріогенних ТО із Ge плівки на GaAs: TTR-1A (інтервал 1,5-300 К), TTR-1B (0,5-300 К), TTR-1D (0,02-300 К), TTR-2 (50-400 К) та TTR-3 (200-500 К). Усі терморезистори не чутливі до магнітного поля (за винятком TTR-1B і TTR-1D) й опромінення нейтронами іg-променями (DТ ? 10-4 К при Т=77 К). З точки зору чутливості до опромінення, ці датчики мають такі ж параметри, як і СХ-1030 і 1050. Відмітимо, що хоча термодатчик на основі плівки Ge має дуже гарні характеристики, він досить складний для виготовлення, оскільки має багатошарову будову: Au2/Au1/Mo/(Ge-Au)/підкладка GaAs/плівкаGe/ (Ge-Au)/Mo/Au1/Au2 (останні чотири шари у вигляді контактних площин). Можливо це і не дозволить впровадження у виробництво даного датчика.

Одним із різновидів датчика з від’ємним ТКО є датчик критичної температури, який призначений для захисту різних пристроїв від перегрівання. Принцип його роботи можна зрозуміти на прикладі термодатчика на основі тонкої плівки (d @ 0,3 мкм) VO2, нанесеної на ситалову підкладку СТ-50-1 методом термічного розкладення хімічних сполук ванадію (наприклад, ацетилацетонату). Електронно-мікроскопічні дослідження показують, що така плівка має полікристалічну будову з кристалітами у вигляді дендритів (L @ 200х50х50 нм), простір між якими заповнює, швидше за все, аморфна фаза із VO, VO2 та V2O3. Було встановлено, що дана аморфна фаза якраз і забезпечує напівпровідникові властивості термодатчика при t @ 0,15 мкм) до 0,30 еВ (d @ 1 мкм) при її величині 0,45 еВ для масивних монокристалів VO2).

Принцип роботи датчика критичної температури базується на тому, що у VO2 при tкр=68оС відбувається фазовий перехід ІІ роду напівпровідник – метал, який супроводжує зменшення опору в 100-1000 разів. При термоцикльованій обробці (до 500 циклів) tкр зменшується від 68 до 61оС з подальшою стабілізацією цієї величини (відмітимо, що при такому термоциклуванні масивний монокристал VO2 руйнується).

Такий датчик може знайти застосування при його експлуатації в умовах частих перепадів температури або термостатичних (наприклад, в автомобільній електроніці).

Згідно з міжнародними стандартами до терморезисторів із додатним ТКО відносять масивні резистори із легованої титанатної кераміки (карбонат Ba+SrO+Ti). Особливістю їх є те, що вони в певному температурному інтервалі мають дуже високий ТКО, обумовлений напівпровідниковими й сегнетоелектричними властивостями кераміки. Компоненти кераміки спікають при t = 1000-1400оС у вигляді стержня або диска. Змінюючи склад суміші, можна змінювати і електричні властивості.

Робоча характеристика ТО має немонотонний характер, проходячи спочатку через мінімум, при Т=ТМ, а потім різко зростає (рис. 3.5). Температура, при якій опір термо-

 

Рисунок 3.5 – Робоча (а) і вольт-амперна (б) характеристика терморезистора із додатним ТКО резистора RN=2Rmin, отримала назву температури реагування (TN). Крім цих двох характерних температур (ТМ і ТN), розглядають також і третю – TW, яка відповідає точці перегину робочої характеристики. Паспортними даними терморезистора є величина ТКО у точках ТМ і TW.

Закінчуючи даний підрозділ, відмітимо таке. З точки зору промислового застосування датчиків, у яких ТКО також більше нуля, найбільш дешевим є кремнієвий датчик, у якого робоча характеристика близька до параболічної, що є його недоліком лише при прецизійному вимірюванні температури. Для покращання робочої характеристики застосовується той самий метод, що й у випадку металевих ТО, - паралельне або послідовне підключення до кремнієвого датчика опору, що дозволяє лінеаризувати робочу характеристику.



загрузка...