3.1.3. Полупроводниковые терморезистивные преобразователи
Полупроводниковые терморезистивные преобразователи отличаются значительно большей чувствительностью (на порядок и более), нежели металлические.
В области, близкой к абсолютному нулю, используются германиевые и кремниевые термометры и диоды из арсенида галлия [21-24], имеющие отрицательный ТКС. При этом с падением температуры растет их чувствительность. В чистом виде германий и кремний используются выше 20 К. Ниже 20 К измерения проводятся легированным германием (мышьяком, сурьмой, индием и др.). Уровень легирования нормирует ТКС и позволяет приблизить измеряемые температуры к абсолютному нулю. Такие термометры обладают высокой воспроизводимостью и используются не только как рабочие термометры, но и для воспроизводства шкалы температур вплоть до абсолютного нуля.
К этой же группе условно могут быть отнесены угольные термометры, которые по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашли широкое применение в криогенной термометрии. Углерод наносится на керамический цилиндр, имеет защитное покрытие, выводы выполняются в виде «чашечек», как в радиотехнических резисторах [25,26].
Обширную группу полупроводниковых терморезисторов составляют так называемые термисторы. Термисторы имеют в своей основе порошкообразные сложные составы кобальто-марганцевых (KMT, СТ1, ПТ), медно-марганцевых (ММТ, СТ2), медно-кобальто-марганцевых (МКМТ, СТЗ), никеле-кобальто-марганцевых (СТ4) оксидных полупроводников. Используются также составы на основе титаната бария, легированного по массе 0,1 % германия (СТ5) и др.
Температурная зависимость сопротивления терморезисторов описывается соотношением вида
где А, В — постоянные коэффициенты (в узком температурном интервале).
Коэффициент температурной чувствительности
а=-В/Т2=-2,5...-4%/°С.
Воспроизводимость хорошо стабилизированных терморезисторов в диапазоне -50...200 °С не лучше ±0,2 °С. Высокая нелинейность затрудняет использование терморезисторов. Оно целесообразно там, где реализуются их преимущества — в узких температурных интервалах, где главным достоинством является их высокая чувствительность при сравнительно небольшой нелинейности.
3.1.4. Позисторы
Позисторы — полупроводниковые терморезисторы с положительным ТКС. Чувствительные элементы позисторов имеют в своей основе сегнетоэлектрические керамики из титанатов, цирконатов и других солей свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать 10 %/°С. Позисторы — экзотические резисторы, область применения которых ограничивается весьма узкими интервалами, где нужна высокая чувствительность измерения. Зависимость сопротивления различных позисторов представлена на рис. 2.3.
В диапазоне измеряемой температуры температурная зависимость сопротивления позистора имеет вид:
Рис. 2.3. Зависимость ТКС позисторов от температуры: 1 — СТ5-1; 2 — СТ6-1А; 3 — СТ6-1Б; 4 — СТ6-ЗБ; 5 — СТ6-4Г; 6 — СТ11-1Г.
Из рисунка видно, что СТ5-1 имеют ТКС < 20; CT6-IA — ТКС < 10; СТ6-1Б, СТ6-ЗБ —ТКС< 15; СТ6-4Г — ТКС < 4; СТ11-1Г — ТКС < 9; Таким образом, общий температурный диапазон всей совокупности терморезисторов -273...+1100 °С (+1300 °С кратковременно). Платиновые термометры предназначаются для прецизионных измерений в особенности в криогенной области и для всех остальных измерений в указанном диапазоне. Противопоказано использование платины при высоких температурах в среде водорода. Других противопоказаний у платины нет.
Медь используется в диапазоне ±200 (до +300) °С. Ее следует использовать везде, где она может заменить платину.
Полупроводниковые терморезисторы имеют общий диапазон использования -269...+200 °С, однако их применение всегда предполагает использование их для узкодиапазонных измерений, где может быть реализовано их главное преимущество — высокая чувствительность и сведен к минимуму главный недостаток — высокая нелинейность.