Влаштування терморезисторів
Щоб описати пристрій терморезисторів, необхідно спочатку заглибитись у суть фізичних особливостей цих приладів та розглянути важливі залежності характерних для них фізичних величин.
Температурна залежність опору є головною характеристикою терморезисторів, що значною мірою визначає інші характеристики цих виробів. Звичайно, вона аналогічна температурній залежності питомого опору напівпровідника, з якого виготовлений даний терморезистор.
Вимірювання показують, що температурна залежність опору більшості типів вітчизняних терморезисторів з негативним ТКС з достатньою для практики точністю у всьому робочому інтервалі температур або в його частині апроксимується виразом , де RT - величина опору терморезистора при температурі Т, К, постійна залежить від фізичних властивостей матеріалу габаритів терморезистора (l – відстань між електронами см і S – площа поперечного перерізу напівпровідникового елемента терморезистора см 2 ); постійна B залежить від фізичних властивостей матеріалу і може мати одне або два значення інтервалі робочих температур.
Прологарифмувавши, отримаємо. Це вираз у координатах lgRі представляє рівняння прямої, що значно полегшує визначення інтервалу температур, в якому формула з необхідною точністю апроксимує дійсну залежність RT(T). За результатами вимірювань RT і T будують графік залежності. Якщо через отримані експериментально точки можна провести пряму, то вважають, що в даному інтервалі температур вираз RT справедливо.
Для практичних розрахунків зручно виключити постійну A. Написав формулу для RT для двох температур T2 і T1 і розділивши одне наінше, отримаємо:
.
З цієї формули можна розрахувати величину опору терморезистора за будь-якої температури T2 (в інтервалі робочих температур), знаючи значення постійної B і опір зразка при якійсь температурі T1.
Величина B визначається експериментально виміром опору терморезистора при двох температурах T1 та T2. Логарифмуючи попередній вираз, легко отримати , де , а . Розмірність B – градуси Цельсія чи Кельвіна. B – це коефіцієнт температурної чутливості. Якщо визначити ТКС терморезистора α як це зазвичай прийнято: , то слід, що
.
Для позисторів температурні залежності опору, зняті в інтервалах температур, мають складний характер. При досить низьких і високих температурах опір зменшується зі збільшенням температури згідно із законом, близьким до експоненційного. У проміжній ділянці опір R різко зростає при підвищенні температури. Крутизна графіка, а, отже, і величиною ТКС, можна керувати в широких межах різними технологічними прийомами.
Для багатьох типів позисторів опір у досить великому інтервалі температур (близько кількох десятків градусів Цельсія/Кельвіна) змінюється строго за експонентним законом.
,
де A - постійна, - температурний коефіцієнт опору при температурі t o C в абсолютних одиницях.
Отже, терморезистори виготовляються з матеріалу, що змінює свій опір зі зміною температури відповідно до перерахованих вище основних залежностей R = f(T). У терморезисторах з негативним ТКС напівпровідниковий матеріал – спечена кераміка, якій надають різні форми та розміри. Її виготовляють із суміші оксидів металів, таких, як Mn, Ni, Co, Cu,Fe. Змінюючи склад матеріалу та розміри терморезистора, можна одержати опору від 1 до 10 6 Ом при кімнатній температурі та ТКС від -2 до 6,5% на 1 o C.
Терморезистори, як було зазначено, виготовляються різних розмірів: від бусинок діаметром 0,2 мм, дисків і шайб діаметром 3-25 мм до стрижнів діаметром 12 і довжиною до 40 мм. Намистинкові терморезистори можна заливати склом, поміщати в скляні або пластмасові оболонки або в транзисторні корпуси. Дискові захищають частіше ізоляційними плівками з лаку чи епоксидних смол.
Важлива технологічна операція у виробництві терморезисторів – створення омічних контактів до термочутливих елементів. Для цього на торцевих поверхнях термочутливих елементів, виконаних у вигляді стрижнів, дисків або шайб, створюють срібні контакти за допомогою спеціальних паст. Для підвищення стабільності параметрів ці елементи піддають термообробці при 200-300 o C. Остаточна стабілізація відбувається шляхом прогрівання елементів протягом сотень годин при максимальній робочій температурі.
Коли терморезистивний елемент отриманий, його захищають спеціальними лаками, а в ряді випадків поміщають у скляний або металевий корпус. При вимірі опору треба підтримувати температуру терморезистора з високою точністю (0,05-0,1 o C), оскільки опір є функцією температури.
Використовувані матеріали.
Матеріал для створення терморезисторів повинен задовольняти наступним вимогам: чисто електронна провідність матеріалу та можливість регулювання її, стабільність характеристик матеріалу в діапазоні робочих температур, простота технології виготовлення виробів. Матеріали мають бути нечутливими до забруднень у процесі технологічного виготовлення виробів.
Найбільший інтерес викликають напівпровідникові матеріали, що мають велику ТКС, крім комплексу необхідних властивостей. Велике поширення набули CuO, Mn3O4, Co3O4, NiO та їх суміші. На основі сумішей оксидів міді та марганцю отримані напівпровідникові матеріали з електропровідністю від 10 -8 до 10 -1 (Ом∙см) -1 . Електропровідність кобальто-марганцевих окисних напівпровідників лежить у межах від 10 -9 до 10 -3 (Ом∙см) -1 . Отримання необхідної електропровідності та ТКС досягається вибором відсоткового співвідношення оксидів металів у композиції при використанні методу спільного охолодження лугом азотнокислих сполук марганцю, кобальту, міді та подальшого прожарювання гідратів оксидів.
Також використовують оксиди титану, ванадію, заліза. При зміні співвідношення компонентів відповідних матеріалів можна отримати задані значення питомого опору та ТКС. Використанням зазначених компонентів та кілька видозмінених способів змішування та термічного випалу вдалося створити терморезистори з непрямим підігрівом (ТКП).
Інтерес для виробництва терморезисторів викликають потрійні марганцеві системи оксидів, так як електропровідність таких матеріалів слабо залежить від домішок, отже, можна отримувати на їх основі терморезистори з малим розкидом по опору та ТКС, а значить масовий випуск терморезисторів із заданими електричними параметрами.
Сучасні терморезистори з негативним ТКС зазвичай виготовляють з наступних оксидних систем: нікель-марганець-мідь, нікель-марганець-кобальт-мідь, кобальт-марганець-мідь, залізо-титан, нікель-літій, кобальт-літій, мідь-марганець. Крім того, практикується додавання таких елементів як залізо, алюміній, цинк, магній, які дозволяють модифікувати властивості перерахованих систем.
Тенденції розвитку сучасних матеріалів із негативним ТКС виявили три основні напрями у виробництві терморезисторів. Головне – отримання більш стабільних терморезисторів. В результаті з'явилися високозамінні високостабільні прилади з негативним ТКС. Це було досягнуто за рахунок використання чистіших вихідних матеріалів, підбору відповідних композицій та ретельного контролю на всіх стадіях виготовлення терморезистора.
Другий напрямок – розширення верхньої межі робочих температур. Було створено кілька типів терморезисторів, у яких ця межа приблизно дорівнює 1000 o C. Це було досягнуто за рахунок високотемпературних матеріалів.
Третій напрямок – створення перемикаючих терморезисторів з негативним ТКС. Вони мають дуже велику зміну опору у вузькому інтервалі температур і називаються терморезистори з критичною температурою і терморезистори на основі металоксидних сполук, в яких використовується різка зміна провідності напівпровідникової до металевої, наприклад VO2 з температурою переходу 68 o C.
Досить перспективний напрямок є терморезистори з позитивним ТКС. Терморезистивні елементи з позитивним ТКС випускають на основі титанато-барієвої кераміки, опір цих елементів значно знижений додаванням рідкісноземельних елементів. Титанат барію BaTiO3 – діелектрик, тому його питомий опір при кімнатній температурі велике (10 10 -10 12 ) Ом∙див. При введенні туди домішок, таких як лантан або церій, у мізерно малих кількостях (0,1-0,3 атомного відсотка) його питомий опір зменшується до 10-100 Ом∙см. Якщо ввести ці домішки в титанат барію, його опір у вузькому інтервалі температур збільшиться на кілька порядків.