Терморезисторный эффект. Терморезисторы (стр. 2 из 4)

.

Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление R резко возрастает при повышении температуры. Крутизной графика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределах различными технологическими приемами.

Для многих типов позисторов сопротивление в довольно большом интервале температур (порядка нескольких десятков градусов Цельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону.

,

где A – постоянная, α – температурный коэффициент сопротивления при температуре t^oC в абсолютных единицах.

Итак, терморезисторы изготавливаются из материала, изменяющего свое сопротивление с изменением температуры в соответствии с перечисленными выше основными зависимости R = f(T). В терморезисторах с отрицательным ТКС полупроводниковый материал – спеченная керамика, которой придают различные форму и размеры. Ее изготавливают из смеси оксидов металлов, таких, как Mn, Ni, Co, Cu, Fe. Изменяя состав материала и размеры терморезистора, можно получить сопротивления от 1 до 10⁶ Ом при комнатной температуре и ТКС от -2 до 6,5% на 1^oC.

Терморезисторы, как уже было сказано, изготавливаются разных размеров: от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром 3-25 мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые терморезисторы можно заливать стеклом, помещать в стеклянные или пластмассовые оболочки или в транзисторные корпуса. Дисковые защищают чаще изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол.

Важная технологическая операция в производстве терморезисторов – создание омических контактов к термочувствительным элементам. Для этого на торцевых поверхностях термочувствительных элементов, выполненных в виде стержней, дисков или шайб создают серебряные контакты с помощью специальных паст. Для повышения стабильности параметров эти элементы подвергают термообработке при 200-300^oC. Окончательная стабилизация происходит путем прогрева элементов в течение сотен часов при максимальной рабочей температуре.

Когда терморезистивный элемент получен, его защищают специальными лаками, а в ряде случаев помещают в стеклянный или металлический корпус. При измерении сопротивления надо поддерживать температуру терморезистора с высокой точностью (0,05-0,1^oC), так как сопротивление является функцией температуры.

Используемые материалы.

Материал для создания терморезисторов должен удовлетворять следующим требованиям: чисто электронная проводимость материала и возможность регулирования ее, стабильность характеристик материала в диапазоне рабочих температур, простота технологии изготовления изделий. Материалы должны быть нечувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовления изделий.

Наибольший интерес вызывают полупроводниковые материалы, обладающие большим ТКС, кроме комплекса необходимых свойств. Большое распространение получили CuO, Mn₃O₄, Co₃O₄, NiO и их смеси. На основе смесей оксидов меди и марганца получены полупроводниковые материалы с электропроводностью от 10^-8 до 10^-1 (Ом∙см)^-1. Электропроводность кобальто-марганцевых окисных полупроводников лежит в пределах от 10^-9 до 10^-3 (Ом∙см)^-1. Получение необходимой электропроводности и ТКС достигается выбором процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного охлаждения щелочью азотнокислых соединений марганца, кобальта, меди и последующего прокаливания гидратов окислов.

Также используют окислы титана, ванадия, железа. При изменении соотношения компонентов соответствующих материалов можно получить заданные значения удельного сопротивления и ТКС. Использованием указанных компонентов и несколько видоизмененных способов смешения и термического обжига удалось создать терморезисторы с косвенным подогревом (ТКП).

Интерес для производства терморезисторов вызывают тройные марганцевые системы окислов, так как электропроводность таких материалов слабо зависит от примесей, следовательно, можно получать на их основе терморезисторы с малым разбросом по сопротивлению и ТКС, а значит массовый выпуск терморезисторов с заданными электрическими параметрами.

Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготавливают из следующих оксидных систем: никель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец. Кроме того, практикуется добавление таких элементов, как железо, алюминий, цинк, магний, которые позволяют модифицировать свойства перечисленных систем.

Тенденции развития современных материалов с отрицательным ТКС выявили три основных направления в производстве терморезисторов. Главное – получение более стабильных терморезисторов. В результате появились взаимозаменяемые высокостабильные приборы с отрицательным ТКС. Это было достигнуто за счет использования более чистых исходных материалов, подбора соответствующих композиций и тщательного контроля на всех стадиях изготовления терморезистора.

Второе направление – расширение верхней границы рабочих температур. Было создано несколько типов терморезисторов, у которых эта граница приблизительно равна 1000^oC. Это было достигнуто за счет применения высокотемпературных материалов.

Третье направление – создание переключающих терморезисторов с отрицательным ТКС. Они имеют очень большое изменение сопротивления в узком интервале температур и называются терморезисторы с критической температурой и терморезисторы на основе металлоксидных соединений, в которых используется резкое изменение проводимости от полупроводниковой к металлической, например VO₂ с температурой перехода 68^oC.

Довольно перспективное направление представляют собой терморезисторы с положительным ТКС. Терморезистивные элементы с положительным ТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики, сопротивление этих элементов значительно снижено добавлением редкоземельных элементов. Титанат бария BaTiO₃ – диэлектрик, поэтому его удельное сопротивление при комнатной температуре велико (10¹⁰-10¹²) Ом∙см. При введении туда примесей, таких, как лантан или церий, в ничтожно малых количествах (0,1-0,3 атомного процента) его удельное сопротивление уменьшается до 10-100 Ом∙см. Если ввести эти примеси в титанат бария, его сопротивление в узком интервале температур увеличится на несколько порядков.

Основные параметры терморезисторов.

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи.

Основные параметры терморезисторов с отрицательным ТКС:

1. Габаритные размеры.

2. Величина сопротивления образцов R_t и R_T (в Ом) при определенной температуре окружающей среды в t, ^oC, или T, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125-200 ^oC, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25^oC и величина R_t называется «холодным сопротивлением».

3. Величина ТКС α в процентах на 1^oC. Обычно она указывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через α_t.

.

4. Постоянная времени τ (в секундах), характеризующая тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100^oC.

5. Максимально допустимая температура t_max, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

6. Максимально допустимая мощность рассеивания P_max в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностью P_max его температура не должна превышать t_max.

7. Коэффициент рассеяния H в Вт на 1^oC. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1^oC.

8. Коэффициент температурной чувствительности B, размерность – [К].

.

9. Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. Величины G, H и α связаны соотношением:

. В самом деле, .

10. Теплоемкость C в Дж на 1^oC, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1^oC. Можно доказать, что τ, H и C связаны между собой следующим соотношением:

.