Датчики температуры на основе терморезисторов

Наиболее широкое распространение получили датчики на основе терморезисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к дестабилизирующим факторам.

Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рисунках 2 и 3.

Как видно из рисунка, полупроводниковые терморезистивные преобразователи отличаются достаточно большой чувствительностью (на порядок и больше) нежели металлические.

Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественной промышленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными элементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков (обычно называемых терморезисторами) является большое значение температурного коэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры. В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый допуск по сопротивлению и ТКС (позисторы СТ5 и СТ6).

Изменяя состав материала чувствительного элемента, можно получить терморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в пределах от –6,5 до +20 %/К. Номинальные сопротивления чувствительных элементов зависят от их состава и размеров и могут находиться в пределах от 1 до 10⁶ Ом. Высокое номинальное сопротивление терморезисторов упрощает требования к системе терморегулирования, что позволяет ограничиться двухпроводной линией связи датчика с системой регулирования и уменьшает погрешность преобразования, обусловленную длиной линией связи.

Зависимость сопротивления от температуры описывается выражением (21):

R_T = Aexp(B/T), (21)

где R_T – сопротивление терморезистора при температуре Т;

А, В – постоянные коэффициенты, зависящие от материала терморезистора и номинального значения его сопротивления.

Рисунок 2 – Зависимость электрического сопротивления терморезисторов от температуры

Зависимости электрического сопротивления терморезисторов от температуры: с отрицательным (1) и положительным (2) температурными коэффициентами сопротивления.

1-обычный терморезистор; 2 – высокотемпературный терморезистор; 3 – терморезистор с положительным температурным коэффициентом.

Рисунок 3 – Температурная характеристика полупроводниковых термометров сопротивления

Это соотношение обеспечивает высокую точность аппроксимации только в узком диапазоне температур. Так например, для терморезисторов типа СТ4-16 погрешность аппроксимации не более ±0,05 К обеспечивается только в диапазоне (15…55) °С. Лучшие результаты дают уравнения типа (22) и (23):

(22),

(23)

где А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ – постоянные.

Уравнение (21) обеспечивает точность аппроксимации ±(0,2…0,4) К в интервале (-60…+100) °С, а уравнение (22) – точность ±0,1 К в интервале (-20…+120) °С.

Чувствительные элементы изготавливают самых различных конфигураций – от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром (3…25) мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. В таблице 5 приведены типы конструктивного выполнения терморезисторов. Бусинковые чувствительные элементы обычно заливают стеклом или помещают в стеклянные и пластмассовые корпуса. Дисковые чувствительные элементы часто защищают изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах и герметизируют в металлические или пластмассовые корпуса.

Однако, термодатчики такого типа обладают рядом недостатков.

Температурная зависимость сопротивления носит нелинейный характер, поскольку величина ТКС в рабочем диапазоне температур изменяет свою величину, иногда даже на несколько порядков. Технология изготовления чувствительных элементов не позволяет получать номинальные значения сопротивлений даже для одного типа с разбросом меньше (10…20)%. Кроме того, значения температурного коэффициента сопротивления терморезисторов одной конфигурации могут отличаться почти в два раза, вследствие чего отсутствует их взаимозаменяемость.

Но основным недостатком термометров этого типа является то, что они, несмотря на проведение в процессе изготовления искусственного старения, обладают низкой временной стабильностью и воспроизводимостью.

Значительно большей стабильностью электрофизических свойств по ставнению с аморфными веществами обладают монокристаллы. Для создания монокристаллических чувствительных элементов термометров широкое применение получили кремний и германий. В чмстом виде германий и кремний используются выше 20 К.

В области более низких температур наиболее часто используется легированный германий, как хорошо изученный полупроводниковый материал, технология получения кристаллов которого хорошо отработана. При легировании германия элементами III и IV групп, такими как галлий и сурьма, являющимися мелкими примесями с энергией активации порядка 0,01 эВ, можно изготавливать высокочувсвительные термометры для работы в диапазоне от 1 до 40 К с погрешностью 0,005 К. Конструкция такого термодатчика разработки ВНИИФТРИ при ведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Конструкция германиевого термопреобразователя сопротивления

Чувствительный элемент 1 термопреобразователя выполнен из монокристального легированного сурьмой германия. К различным концам элемента припаяны четыре золотых проводника, которым приварены выводы 2 из платиновой проволки. Чувствительный элемент помещен в мельхиоровую гильзу 3, заканчивающуюся стеклянной головкой 4 с платиновым пояском и припаянными через нее платиновыми выводами, сваренными внутри гильзы с золотыми выводами от чувствительного элемента. Изнутри гильза датчика покрыта фторопластовой защитной пленкой 5. Гильза термометра заполнена газообразным гелием. Такие термометры имеют нелинейную температурную зависимость сопротивления. Их статистическая характеристика близка к экспоненциальной и аппроксимируется полиномами вида (24):

LnR = S a_i(lnT)ⁱ (24)

где a_i – коэффициенты.

Выбор степени полинома i зависит от требуемой точности измерения и диапазона измеряемых температур. С ростом температуры чувствительность таких термометров быстро уменьшается до уровня, меньшего чем у металлов. При этом происходит изменение сопротивления термометра от сотен мегом до десятых долей Ома. Для сохранения высокой чувствительности вплоть до 300 К авторами работ предлагается многокомпонентное легирование германия мелкими и глубокими примесями или донорными и акцепторными примесями.

Разработанные ВНИИФТРИ германиевые термодатчики обладают высокой стабильностью характеристик и широко используются в криогенной области. Однако, они имеют крайне низкую устойчивость к механическим воздействиям. К недостаткам германиевого термодатчика следует отнести сложность получения стабильной пленки двуокиси германия, что при разработке термодатчиков требует специальных мер по защите поверхности чувствительного элемента от окружающей среды. Кроме того, из-за узкой (E_y @ 0,74 эВ) запрещенной зоны германий уже при Т>(300…400) К становится собственным полупроводником, что не позволяет использовать его при высоких температурах.

К этой же группе условно могут быть отнесены угольные термодатчики, которые по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашли широкое применение в криогенной технике. В качестве чувствительного элемента углеродных термодатчиков часто используются углеродные радиотехнические сопротивления. Для широкого интервала температур статические характеристики преобразования углеродных термодатчиков предлагается представлять соотношением типа (25)

lnR = A/T^m + B (25)

где A, B и m – постоянные.

Это уравнение позволяет в диапазоне (3…60) К получить аппроксимацию экспериментальных данных с погрешностью не более ±0,03 К. Углеродные термодатчики требуют индивидуальной градуировки. Они не дороги, однако в эксплуатации требуют аккуратного обращения, т.к. весьма чувствительны к механическим нагрузкам как на сам угольный элемент, так и на электрические выводы, которые запрессованы в элемент.

Известны пленочные углеродные термодатчики, чувствительный элемент которых изготавливают из коллоидной суспензии графита в воде, нанесенной на тонкие стеклянные пластинки. Эти датчики предназначены для интервала температур (0,03…4,2) К.

В интервале (4,2…273) К используют также стеклоуглеродные термодатчики. Для изготовления их чувствительного элемента щелочно-боросиликатное стекло подвергают выщелачиванию, удаляя из него фазу, богатую бором. Образуется пористое стекло. Поры заполняют тонко измельченным углем высокой чистоты. Полученный материал после высушивания разрезают на пластины. На концы пластин в вакууме напыляют электроды. Затем пластины с выводами помещают в платиновые гильзы. Гильзы напоняют гелием и герметизируют. Статические характеристики преобразования стеклоуглеродных термодатчиков могут быть аппроксимированы уравнением (24).

В настоящее время в области практического использования никакой полупроводниковый материал не может конкурировать с кремнием по степени изученности характеристик и, особенно, по степени разработанности и освоенности технологии изготовления. Поскольку кремний имеет достаточно широкую (E_y @ 1,17 эВ) зону проводимости и, кроме того, интенсивное окисление поверхности кремния происходит при температурах, больших 1000 К, то на его основе могут создаваться высокотемпературные термодатчики. На основе монокристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в области средних температур. Отрицательное значение ТКС получают при легировании кремния такими примесями, ка золото и железо, которые создают в запрещенной зоне “глубокие “ уровни, т.е. уровни, энергия активации которых близка к 0,5^.E_y.

На основе кремния, легированного золотом, разработан термодатчик с отрицательным ТКС для измерения температуры поверхности с рабочим диапазоном (273…330) К. Температурный коэффициент такого термодатчика изменяется от –8%/К при 273 К до –(2…3)%/К при 330 К. Чувствительный элемент 1 термодатчика (рис.3) в виде параллелепипеда из монокристаллического кремния нижней широкой гранью прикреплен к контактной площадке 3, нанесенной на пластину из монокристаллического сапфира 2. Второй контакт находится на верхней грани чувствительного элемента и соединен золотыми микропроводниками 5 с другой контактной площадкой 4. Сверху чувствительный элемент залит смолой 6. Малый рабочий диапазон таких термодатчиков объясняется тем, что с ростом температуры ТКС уменьшается пропорционально величине 1/Т². Поскольку значение номинального сопротивления (R_н) термодатчика зависит от размеров чувствительного элемента, а при разделении пластины кремния на отдельные чувствительные элементы невозможно добиться их полной идентичности, то разброс значений R_н в партии составляет»20%. Кроме того, наблюдается разброс значений ТКС в пределах 5%, обусловленный различной степенью легирования кремния в процессе производства. Большое значение показателя тепловой инерции разработанного термодатчика (»10 с) ограничивает его использование в динамике.

Расширить измеряемый температурный диапазон можно, если включить параллельно кремниевому терморезистору пассивный резистор (независящий от температуры) при питании схемы постоянным током или последовательно – при питании схемы от источника постоянного напряжения. НПО Измерительной техники г.Королев разработан кремниевый датчик ТЭ-260, работающий при температурах от 223 до 523 К.

Положительным значением температурного коэффициента удельного сопротивления в широком диапазоне температур обладает кремний, легированный примесями с малой энергией активации. Область собственной проводимости кремния с концентрацией носителей тока p, n @ 10²⁰ м^-3 начинается при температурах Т>450 К, а кремния с p, n @ 10²³ м^-3 – при Т>600 К. При меньших температурах и соответствующей концентрации носителей тока.

На базе кремниевых чувствительных элементов с положительным ТКС рядом зарубежных фирм (Volvo, Siemens (Германия), Philips (Нидерланды), ITT Components Group (Великобритания), Rodan Industries Inc, Texas Instruments (США) и др. разработано и выпускается серийно большое количество термодатчиков различного назначения. Чувствительные элементы этих приборов однотипны и представляют собой кристаллы кремния n-типа проводимости, изготовленные в виде брусков или кубиков. Размеры чувствительных элементов могут несколько варьироваться для получения требуемого сопротивления.

Конечные стадии технологического процесса изготовления термодатчиков отличаются у различных фирм и зависят от предпочтительной конфигурации прибора. Общими операциями являются припаивание выводов к контактным поверхностям и герметизация чувствительных элементов смолой или стеклом. В некоторых конструкциях кремниевых датчиков брусок или пластину снабжают механическими контактами, положение которых фиксируют частично расплавленной стеклянной трубкой или заливкой смолой. Луженые медные выводы присоединяют к торцевым металлическим контактам. Рабочий диапазон датчиков с чувствительными элементами на основе кремния n-типа чаще всего составляет интервал от 223 до 423 К. При помещении кремниевых чувствительных элементов в герметичный стеклянный корпус некоторым фирмам (Volvo, Philips) удается увеличить верхний диапазон рабочих температур до 570 К.

Таким образом, на основе чувствительных элементов, изготовленных из монокристаллического кремния, разработаны и выпускаются серийно термодатчики с широким набором номинальных сопротивлений R_н, работающих в диапазоне температур несколько сотен Кельвина. Для датчиков этого типа характерны такие недостатки, как:

- значительный разброс номинальных сопротивлений (5…10)%, выз ванный разбросом удельного сопротивления и размеров кристалла кремния. Уменьшение разброса значений R_н до (1…2)% достигается лишь разбраковкой чувствительных элементов;

- разброс значений ТКС, обусловленный разбросом степени легирования кремния. Уменьшение разброса значений ТКС ограничено возможностями современной технологии;

- достаточно большое значение показателя термической инерции из-за необходимости размещения полупроводниковых чувствительных элементов в корпусах для их защиты от окружающей среды и обеспечения электрической изоляции от объекта.

Кроме того, процесс сборки термодатчиков такого типа трудно поддается автоматизации и, как правило, осуществляется с использованием большой доли ручного труда.