ФОПИ _Чередов_1

Физические основы полученияинформации

где 3 = –4,482.10-12 К-4.

Платиновые термометры сопротивления применяются в диапазоне температур от -263 до +1100 0С.

Никелевые термометры сопротивления характеризуются высоким значением температурного коэффициента сопротивления ТКС = 6,28.10-3 К-1, практически линейной зависимостью сопротивления от температуры в диапазоне от - 200 до +300 0С.

Никелевые термометры сопротивления применяются в диапазоне темпера-

тур от -200 до +500 0С.

Недостатком является сильная окисляемость никеля при высоких температурах, что ограничивает диапазон рабочих температур до +250 0С.

Для измерения температуры в высокоскоростных газовых потоках используются терморезисторы из вольфрама, характеризующиеся близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Диапазон измерения ограничивается температурой до +600 0С.

Достоинством вольфрамовых терморезисторов является бескаркасная намотка чувствительного элемента.

В области низких температур до 3,5 К применяются индиевые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры как [19]

где А и В – постоянные, получаемые эталонированием терморезистора в реперных точках.

Для измерения высоких температур вплоть до +2000 0С могут применяться терморезисторы на основе сплавов золото-серебро и платина-палладий [19].

К достоинствам металлических терморезисторов можно отнести высокую стабильность и воспроизводимость характеристик.

Существуют различные варианты конструктивного исполнения чувствительных элементов металлических термометров сопротивления. Терморезистивные проводниковые датчики выполняются тонкопленочными и проволочными.

Тонкопленочные изготавливаются путем вжигания или нанесения другим путем из тонкого слоя платины или ее сплавов на подходящую подложку, например на керамическое основание толщиной 1–2 мкм или кремниевую мембранку. При ширине пленки 0,1–0,2 мм и длине 5–10 мм сопротивление датчика составляет 200–500 Ом [15]. Для получения высокого отношения длины к ширине пленочные датчики часто изготавливаются в виде серпантинной структуры. Датчики, у которых пленка нанесена с обеих сторон подложки, использу-

~101 ~

Физические основы полученияинформации

ются для измерения температурного градиента и имеют порог чувствительно-

сти (1–5)10-5 К/м.

Чувствительные элементы проволочных термометров сопротивления изготавливают в виде безындукционной намотки, которая может быть бескаркасной или выполнена на каркасе [24]. Варианты конструкции металлических термометров сопротивления приведены на рис. 4.6. Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 4.6а) может представлять собой безындукционную намотку, например, из медной проволоки 3, расположенной на каркасе из изолятора 2. Намотка помещается в тонкостенный металлический корпус 1.

1 – корпус; 2 – каркас из изолятора; 3 – проволока

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления часто выполняется из нескольких (например, двух или четырех) соединенных последовательно платиновых спиралей 3 (рис. 4.6б). Спирали размещаются в каналы двухили четырехканального каркаса 2 из изолятора, помещенного в корпус 1.

В чувствительных элементах большинства проводниковых терморезисторов используется металлическая проволока диаметром (0,05–0,1) мм с длиной, определяемой значением начального сопротивления.

Основные характеристики проводниковых терморезистивных ПИП

К характеристикам проводниковых терморезистивных датчиков относятся: уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности.

Одной из важнейших характеристик терморезисторов является тепловая постоянная времени , характеризующая их тепловую инерцию:

где С – теплоемкость терморезистора; – коэффициент теплоотдачи; F – поверхность терморезистивного датчика.

Постоянная времени – время, в течение которого температура терморезистивного ИП повышается до 63 0С при перенесении его из среды с темпера-

~102 ~

Физические основы полученияинформации

турой 0 0С в воздушную среду с температурой 100 0С. Для различных конструкций τ составляет значение от десятых долей секунды до десятков секунд.

Номинальное сопротивление – это сопротивление терморезистора при эталонной температуре Т0. Для проводниковых терморезистивных ПИП номинальное сопротивление R0 обычно определяется при температуре Т0 = 0 0С.

Класс допуска – определяет допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 0 0С (R0 ).

Промышленностью выпускаются платиновые, медные и никелевые термометры сопротивления, которые в общем случае состоят из чувствительного элемента, защитной арматуры и головки преобразователя с зажимами. В соответствии с ГОСТ 6651 выпускаются термометры сопротивления трех классов допуска и следующих номинальных статических характеристик преобразова-

ния: платиновые – 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные – 10М, 50М, 100М.

Буквы в условном обозначении типа и градуировочной характеристики термопреобразователя обозначают следующее: Т – термометр; С – сопротивления; П – платиновый; М – медный; Н – никелевый; а число – показывает сопротивление термометра при 0 0С в омах.

В табл. 4.2 приведены классы допуска некоторых термометров сопротивления по ГОСТ 6651.

Одной из характеристик металлических термометров сопротивления (ТС) является отношение W100 сопротивления ТС при 100 0С (R100) к сопротивлению при 0 0С (R0), W100 = R100/R0. В соответствии с ГОСТ 6651 для платиновых термопреобразователей сопротивления W100 = 1,3910 (международное значение – 1,3850), для медных W100 = 1,4280 (международное значение – 1,4260) и для ни-

келевых W100 = 1,6170.

Физические основы полученияинформации

Никелевые термопреобразователи сопротивления имеют класс допуска С

(ΔR/R0 = ±0,24%).

Недостатками промышленных термометров сопротивления являются большое значение тепловой постоянной времени τ и большие размеры. Тепловая постоянная для различных типов резисторов составляет значение от единиц до десятков секунд.

Полупроводниковые терморезистивные ПИП

Изменение сопротивления полупроводника в основном обусловлено изменением числа свободных носителей заряда. Чем выше температура, тем большее число электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (или возрастает число активированных акцепторных или акцепторных атомов).

Температурная зависимость полупроводниковых терморезистивных датчиков достаточно хорошо описывается выражением [19]

где R0 – сопротивление при начальной температуре Т0; T = Т - Т0; Т – постоянный коэффициент, 1/К.

Сопротивление полупроводникового терморезистора также может быть найдено по формуле

где А – коэффициент, характеризующий материал и конструкцию терморезистора; В – коэффициент, характеризующий материал.

Коэффициенты А и В также зависят от температуры, поэтому более точное выражение выглядит так:

где T0 – начальная температура, К; Rt0 – сопротивление при температуре T0.; В – характеристическая температура материала, К.

Значение В для большинства полупроводниковых терморезистивных ПИП лежит в пределах от 2000 до 5000 К и в пределах узкой зоны может считаться независимым от температуры.

В общем случае температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезистивных датчиков зависит от температуры и определяется по формуле

~104 ~

Физические основы полученияинформации

При температуре 300 К чувствительность полупроводникового терморезистора на порядок и более выше, чем металлического.

Недостатками полупроводниковых терморезистивных ПИП являются: нелинейность характеристики преобразования и большой разброс от образца к образцу значения номинального сопротивления и постоянной В.

В качестве материалов полупроводниковых терморезистивных ИП используют: 1) монокристаллические полупроводники (Si, Ge); 2) полупроводниковые соединения.

Для изготовления резистивных датчиков температуры, обладающих положительным ТКС, широко используется чистый кремний, легированный примесями n-типа. Эффект получения положительного ТКС в монокрис-таллических полупроводниках рассмотрен в п. 3.1.2.

Типичный кремниевый датчик состоит из кристалла кремния n-типа, размеры которого не превышают нескольких сот микрометров (200–500 мкм), с контактами на противоположных гранях. Чувствительность подобных датчиков составляет десятые процента на один градус Цельсия, т. е. их сопротивление

изменяется на несколько десятых процента при изменении температуры на 1 0С.

Передаточную функцию датчика в области положительных ТКС можно аппроксимировать полиномом второго порядка [20]:

где R0 и T0 – сопротивление, Ом, и температура, К, измеренные в эталонной точке; А и В – постоянные коэффициенты.

В настоящее время кремниевые терморезистивные датчики широко используются для измерения температуры и температурной компенсации. Верхний предел измерения датчиков с положительным ТКС обычно не превышает +200 0С, нижний предел лежит в области отрицательных температур и составляет значение в несколько десятков градусов Цельсия (например, датчик KTY81 имеет рабочий диапазон (-55…+150 0С)) [20].

Терморезисторы из монокристаллических полупроводников (германия,

кремния) характеризуются большим значением ТКС, хорошей воспроизводимостью и стабильностью характеристик в широком интервале температур, малой тепловой постоянной времени.

Наибольшее применение для изготовления полупроводниковых терморезисторов получили поликристаллические материалы на основе смесей окислов

~105 ~

Физические основы полученияинформации

металлов переходной группы периодической системы (смеси окислов марганца MnO3, меди CuO, никеля NiO, кобальта CoO4 и др.).

Как правило, полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный ТКС. Исключения составляют так называемые "позисторы", имеющие положительный ТКС ( R 0,3–0,5 К-1). Позисторы изготавливают из сегнетоэлектрических полупроводников, характеризующихся аномальным ростом удельного сопротивления вблизи области сегнетопароэлектрического фазового перехода. Для проведения точных измерений используются термисторы только с отрицательным ТКС.

Конструктивно полупроводниковые терморезистивные датчики могут иметь самую разнообразную форму. Чувствительный элемент может быть вы-

Основные характеристики полупроводниковых терморезистивных ПИП

К характеристикам полупроводниковых терморезистивных датчиков относятся уравнение преобразования, чувствительность, номинальное сопротивление, тепловая постоянная времени, погрешности и др.

Уравнения преобразования полупроводниковых терморезистивных датчиков рассмотрены выше.

Номинальное сопротивление – это сопротивление терморезистивного датчика при эталонной температуре Т0. Для полупроводниковых термисторов за номинальное значение R0 принимается сопротивление при Т0 = 20 0С, для некоторых типов термисторов R0 определяется при температуре Т0 = 150 0С (например, термистор КМТ4).

Класс допуска – определяет допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления при 20 0С (R0 ).

ТКС отечественных термисторов составляет значение −(0,02–0,04) К-1; номинальное сопротивление R0 имеет значение от 0,1 до 107 Ом; допускаемое отклонение от номинального значения сопротивления R0 от 10 до 20 %; погрешность 1–2 %, диапазон от –100 до +300 0С, тепловая постоянная времени составляет значение от десятых долей до десятков секунд.

Основные характеристики некоторых полупроводниковых терморезисторов приведены в табл. 4.3 [19].

~106 ~

Физические основы полученияинформации

4.4.2. Магниторезистивные датчики

Принцип действия магниторезистивных преобразователей основан на изменении удельного сопротивления проводников и полупроводников под действием магнитного поля – эффекте Гаусса (см. п. 3.1.3).

Следует отметить, что при продольном эффекте изменение магнитосопротивления незначительно и для создания магниторезистивных ПИП применение находит в основном поперечный эффект Гаусса.

Материалы и конструкции магниторезистивных ПИП

В качестве материалов чувствительных элементов магниторезистивных датчиков могут использоваться чистые металлы (например, висмут), полупроводниковые соединения (например, антимонид индия), ферромагнетики. Чистые металлы характеризуются сравнительно малым значением магнитного коэффициента (например, у висмута αВ ≈ 1), поэтому в настоящее время магниторезистивные ИП на эффекте Гаусса изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, полупроводниковых соединений InSb, InAs). Большее применение получил эвтектический сплав антимонида индия InSb и антимонида никеля NiSb.

Чувствительный элемент магниторезистивного ПИП может быть выполнен различной конфигурации: в виде диска Корбино (рис. 4. 8а); в виде пластины с малым отношением размеров a/b (рис. 4.8б).

Магниторезистивные преобразователи с чувствительным элементом, выполненным в форме диска из полупроводникового материалы (например, из InSb или InAs), характеризуются малым значением начального сопротивления (R0 составляет значение в несколько десятых долей ом) и ограниченной нагрузочной способностью. Толщина чувствительного элемента составляет десятые доли миллиметра. Присоединение вывода 4 к центральному электроду 2 (рис. 4.8а) приводит к утолщению диска Корбино и невозможности использования его при измерении магнитных полей в малых воздушных зазорах.

~108 ~

Физические основы полученияинформации

Выполнение чувствительного элемента в виде пластинки прямоугольной формы, у которой ширина b больше дины а (рис. 4.8б), позволяет увеличить эффект Гаусса. Сопротивление таких преобразователей достигает десятков ом.

Использование эвтектических сплавов (например, сплава InSb – NiSb) позволяет получить значения сопротивления R0 от единиц ом до десятков килоом. Конструкция магниторезистивного ПИП с чувствительным элементом из сплава InSb – NiSb изображена на рис. 4.9. Чувствительный элемент представляет собой меандровую полоску 1 на изолирующей (например, керамической) подложке 2. К полоске припаиваются выводы 3. Толщина полоски составляет десятки микрометров (15–25 мкм). Для повышения чувствительности в качестве подложки используют ферромагнитный материал с высокой магнитной проницаемостью. Изготовление магниторезистивных датчиков дифференциальными

позволяет повысить их чувствительность и уменьшить погрешности. На рис. 4.10 представлена конструкция меандровой полоски дифференциального преобразователя. Магниторезистивные ПИП имеют малые геометрические размеры, не превышающие 3…4 мм при толщине не более

0,4 мм.

Основные характеристики магниторезистивных ПИП

К характеристикам магниторезистивных ИП относятся: уравнение преобразования (градуировочная характеристика); начальное (номинальное) сопротивление; магниторезистивное отношение; магнитная чувствительность; погрешности преобразователя; нагрузочная способность.

Уравнение преобразования магниторезистивного преобразователя на эффекте Гаусса имеет вид [19]

где R – начальное сопротивление преобразователя при В = 0; АB – коэффициент, зависящий от физических свойств материала и формы чувствительного элемента; μ – подвижность носителей зарядов.

В слабых магнитных полях (при μ.В << 1) показатель n = 2 – сопротивление R квадратично зависит от индукции В и чувствительность S преобразователя при этом определяется как

Чувствительность пропорциональна магнитной индукции.

~109 ~

Физические основы полученияинформации

В сильных магнитных полях (при μ.В >> 1, в большинстве случаев при B > 0,3–0,5 Тл) показатель n = 1 и функция преобразования линейна. Чувствительность преобразователя при этом находится как

Номинальное (начальное) сопротивление R0 – это сопротивление при ин-

дукции магнитного поля В, равной нулю.

Значение начального сопротивления зависит от проводимости материала, конфигурации и размеров чувствительного элемента и для различных типов магниторезисторов колеблется от десятых долей ома (например, для магниторезисторов из InAs R0 может быть равно 0,5 Ом) до единиц килоом (например, для магниторезистивных ИП из сплава InSb-NiSb R0 может иметь значение, равное единицам килоом).

Отклонение начального сопротивления от номинального значения обусловлено неоднородностью материала магниторезистивного преобразователя и воспроизводимости геометрических размеров чувствительного элемента и может достигать значения ±20 %.

Магниторезистивное отношение RB/R0 – это отношение сопротивления RB

магниторезистивного ИП при определенном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1,0 Тл) к начальному сопротивлению R0.

Отношение RB/R0 сильно зависит от температуры, поэтому оно определяется при определенной температуре, и для различных магниторезисторов составляет значение от единиц до десятков.

Магнитная чувствительность S – определяется как относительное приращение сопротивления ΔR/R магниторезистивного ИП к вызвавшему его приращению магнитной индукции В:

R B

Нагрузочная способность – параметр, определяемый предельным значением температуры перегрева магниторезистивного преобразователя. Значение этой температуры обычно не превышает 150 0С. В паспорте нагрузочная способность может нормироваться допустимой мощностью рассеяния.

Погрешности магниторезистивных ПИП

Основными причинами появления погрешностей являются: 1) изменение физических свойств материалов и геометрических размеров во времени под действием температуры; 2) влияние измеряемой среды на свойства материала чувствительного элемента; 3) изменение частоты магнитного поля (при измерении переменных магнитных полей).

~110 ~