Полупроводниковые ТС

Цель и задание | Теория | Приложения | Литература

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТС

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования (рис.2.6) обычно аппроксимируют выражением

R_t = A e^B/T, (2.2) где R_t — сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах; А и В — постоянные, зависящие от материала и технологии, причем А зависит, кроме того, от размеров термистора и его формы.

Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5 мм. Теплоемкость таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловливает малую инерционность термисторов.
Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд.

В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1—1,5%, а за несколько месяцев еще на 1%. В дальнейшем изменение сопротивления термистора происходит медленнее, не превышая 0,2% в год.

Ко вторичному прибору термисторы подсоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше сопротивления линии связи и ее чувствительности к изменению температуры. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы находят в различных приборах для температурной коррекции характеристик приборов.

При измерении низких температур вблизи 0 К наиболее часто используются германий и кремний, обладающие термисторной чувствительностью (см. рис.1.10, кривая 2). С уменьшением температуры растет не только само сопротивление, но и производная — коэффициент сопротивления. Сопротивление чистых германия и кремния увеличивается настолько интенсивно, что в тройной точке водорода (13,81 К) оно так велико, что материал практически становится изолятором. Поэтому чистые материалы можно использовать для измерений температур выше 20 К.
Несмотря на большую нелинейность зависимости сопротивления от температуры, германиевые ТС находят широкое применение для измерений в диапазоне от 0,5 до 12 К, поскольку другие виды ТС имеют еще большую нелинейность.

Угольные элементы по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, обладают большим отрицательным ТКС и эффективно применяются в качестве чувствительных элементов при измерениях низких температур. Углеграфитные сопротивления наносятся на изоляционную подложку методом вжигания или пиролиза. Сопротивление полученной тонкой пленки существенно зависит от состояния свободной поверхности. Поэтому поверхность должна быть тщательно обработана и защищена изоляционным покрытием, например методом вакуумного напыления.

В связи с эффективным применением углепластиков в машиностроении значительно усовершенствовалась технология получения углеграфитных волокон. Нити таких волокон широко используются для изготовления чувствительных элементов ТС, которые применяются для измерения температур, начиная от 0,1 К. Верхний предел ограничен возможностью начала окисления углерода при температуре, превышающей 900 К, и сублимации при температуре выше 2800 К. Большие конструктивные трудности связаны с контактами переходов от неметаллического углерода к металлическим проводам.

Термисторные промышленные ТС.
Термисторы изготовляются на основе оксидных материалов, например из твердого раствора Fe2O3 в материалах кристаллической структуры типа шпинель Zn2TiO4, MgTiO4 или MgCzO4. Для идентичности изделий с целью получения требуемого значения сопротивления добавляют стабилизирующие вещества: окись никеля, окись углерода, окись магния и др. При помощи пластичного связующего вещества методом прессования смеси придается необходимая форма (сферическая, цилиндрическая, дисковая). Форма изделия определяется условиями работы, для которых оно предназначено. Спрессованная в форме заготовка совместно с выводами подвергается спеканию.
Для измерения температуры поверхности применяются термисторы в виде плоской шайбы, тонкого диска или бусинки небольшого диаметра. Бусинковый терморезистор диаметром 0,5 мм, покрытый глазурью, в спокойном воздухе имеет показатель тепловой инерции 0,3 с.
Воспроизводимость ТС на базе терморезистора, состаренного в течение длительного времени, при измерении температуры в диапазоне от —40 до 1800С составляет ±0,2 К. В качестве защитной арматуры ТС применяются тонкостенные трубки из стекла и нержавеющей стали, обеспечивающие тепловой контакт с терморезистором.
Т.к. температурная зависимость сопротивления терморезистора выражается уравнением R = Ае^B/T, где A и В — постоянные коэффициенты, то экспоненциальный характер этой зависимости затрудняет использование термисторных ТС в широком температурном интервале. ТС, предназначенные для комнатной температуры, непригодны для измерений при —100°С или при 200°С. Подбор ТС для измерений на требуемом уровне температур производят по значению коэффициента В: для измерений в диапазоне от «гелиевых» до «водородных» температур В = 50...100 К; от «водородных» до «азотных» В = 100...300 К; на уровне «кислородных» В = 500.... 1500 К.