Доклад.

Отечественная промышленность выпускает терморезисторы с большим отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивления, изготовленные по керамиче­ской технологии, которую отличают высокие температуры спекания пленки терморези­стивного материала, большие габаритные размеры и, соответственно, боль­шая тепловая инерционность.

Изготовление терморезисторов методами толстопленочной технологии является актуальной задачей, так как позволяет значительно снизить температуру формирования терморезистивного слоя и изготовить групповым методом терморезисторы, в том числе и чип-терморезисторы.

Целью настоящей работы является создание миниатюрных датчиков температуры на основе терморезистивных материалов с большим отрицательным температурным ко­эффициентом сопротивления для плоских керамических толстопленочных нагреватель­ных элементов, используемых в копировальной технике нового поколения. Миниатюр­ные датчики температуры выполняются в виде чип-терморезисторов, и монтируется на контактные площадки керамического нагревателя. Чип-терморезисторы находят приме­нение в качестве датчиков расхода газов, датчиков уровня жидкости и в других прибо­рах.

Требуемые параметры чип-терморезисторов приведены на плакате (плакат №1).

Для достижения поставленной цели были выбраны и синтезированы ряд терморе­зистивных материалов в системах NiO–Li₂O и NiO–CoO. Технология получения этих терморезистивных материалов приведена на плакате (плакат №2). Исходные порошки взвешива­лись, после чего полученную смесь вместе с водой загружали в барабан пла­нарной мельницы и перемешивали до получения однородной суспензии. Далее суспен­зию фильтравали, а фильтрат сушили в сушильном шкафу. Из полученных таким обра­зом хо­рошо перемешанных порошков оксидов, синтезировали термоерзистивный мате­риал при температуре 950 С в течение 2 часов. Кроме того, для исследования физиче­ских и электоро-физических свойств материалов были изготовлены образцы: таблетки диамет­ром 10 мм и толщиной 5 мм. Электородами служили воженные слои серебро-палладие­вой пасты. Зависимости сопротивления терморезистивных материалов от тем­пе­ратуры в виде ln R от 1/Т приведены на плакате (плакат №3). Для дальнейших иссле­дований были отобраны материалы с большим В. На основе отобран­ных материалов и выбранных стеклосвязующего и органического связующего изготав­ливались пасты для трафаретной печати слоев чип-терморезисторов.

Полученный порошок тер­морезистивного материала дополнительно перемалы­вали в планетарной мельнице в те­чение 30, 70 и 120 мин, что соответствует размерам частиц терморезистивного мате­риала 35, 15 и 5 мкм. Помолотый таким образом поро­шок смешивался со стеклосвя­зующим и органическим связующим.

С помощью операции вжигания чип-терморезисторы формировались на керамиче­ских подложках, на которые были предварительно нанесены и вожжены электроды. Терморезистивную пасту наносили методом трафаретной печати через соответствую­щий трафарет. Вжигание слоев термо­резистивной пасты осуществлялось в печи при различных температурах: 650, 750, 850 и 950 С в течение 20 мин. После вжигания тер­морезистивных слоев чип-терморезисторов измеряли зависимость сопротивления от температуры и рассчитывали В и ТКС. При снятии характеристик с чип-терморезисто­ров на основе системы NiO–Li₂O, обнаружилось, что сопротивление при комнатной температуре гораздо выше требуемой величины (10⁹ Ом), поэтому дальнейшие иссле­дования проводились с сис­темой NiO–CoO.

Результаты исследований в виде графика зависимости В от температуры вжигания слоев и длительности помола порошка терморезистивного материала приведены на пла­кате (плакат №4). Анализ данных, приведенных на плакате, показывает, что максималь­ное значение В имеют чип-терморезисторы, слои которых получены на основе терморе­зистивного материала, измельченного в те­чение 70 мин и спеченного при 750 С.

Температурно-временная стабильность свойств чип-терморезисторов является од­ной из основных характеристик, определяющих длительность функционирования чип-терморезистора и прибора в целом. Поэтому, в процессе работы значительное внимание было уделено исследованию стабильности характеристик полученных терморезисторов. Выяснилось, что характеристики чип-терморезисторов (ТКС, В и R₂₅) изменяются во времени. С це­лью стабилизации характеристик на поверхность терморезистивного слоя наносили пленку легкоплавкого стекла– слой защитной пасты с последующим оплавле­нием этого слоя при температуре 500–550С в течение 20 мин. Слой легкоплавкого стекла значительно увеличивает стабильность характеристик чип-терморезисторов. На плакате (плакат №5) показано различие характеристик защищенных и не защищенных стеклом чип-терморезисторов.

Для нанесения пасты на керамическую подложку, был разработан станок трафа­ретной печати с длинной базой (плакат №6). Главные части станка: трафарет и ракель. Нанесение слоя пасты происходит следующим образом: ракель движется по поверхно­сти под­ложки, через отверстия в сетке трафарета продавливает пасту и на подложке остается отпечаток. Для качественного нанесения пасты, в станке предусмотрены раз­личные ре­гулировки и приспособления: опускание и поднятие подложки, плавное сме­щение подложки и регулировка прижима ракеля.

Изготовление чип-терморезисторов выгодное направление, что доказывается срав­нением наших образцов с зарубежными аналогами, проведенным в экономической части диплома (плакат №7). Но надо не забывать, любое производство кроме прибыли прино­сит вред как окружающей среде, так и людям. Этот вопрос рассмотрен в разделе ПЭБ.

Выводы: Проведен анализ патентной и научно-технической литературы по ма­те­риалам для чип-терморезисторов. Определены технические требования к материалам и выбраны типы материалов для чип-термо­резисторов.

В системах NiO–Li₂O и NiO–CoO синтезирован ряд полупроводниковых мате­риа­лов для чип-терморезисторов. Изготовлены образцы этих материалов и иссле­дованы их физические и электрофизические свойства.

Определены зависимости температурного коэффициента сопротивления (ТКС), ко­эффициента температурной чувствительности (В), сопротивления при комнатной тем­пературе (R₂₀) чип терморезисторов от состава, условий измельчения исходного по­рошка терморезистивного материала толщины и температуры спекания терморе­зистив­ной пленки.

Исследована температурно-временная стабильность характеристик чип-термо­ре­зисторов. Показано, что защита чип-терморезисторов пленкой легкоплавкого стекла увеличивает их температурно-временную стабильность ТКС, В и R₂₅.

В результате проведенных исследований в системе NiO–CoO получен терморези­стивный материал и на его основе методом толстопленочной технологии изготов­лены чип-терморезисторы с параметрами, полностью удовлетворяющими предъяв­ляемым к ним требованиям.

5. Выводы.

1. Проведен анализ патентной и научно-технической литературы по ма­териалам для чип-терморезисторов. Определены технические требования к материалам:

• Номинальное сопротивление: (0,5…5)10⁷ Ом;

• ТКС: менее –2,3 %/град;

• Коэффициент температурной чувствительности: более 2000 К;

• Рабочий интервал температур: 20…250 С;

• Толщина резистивного слоя: до 100мкм;

• Габаритные размеры: 12 мм.

Выбраны типы материалов для чип-термо­резисторов с параметрами.

2. В системах NiO–Li₂O и NiO–CoO синтезирован ряд полупроводниковых мате­риалов для чип-терморезисторов. Изготовлены образцы этих материалов и иссле­дованы их физические и электрофизические свойства;

• Определены зависимости температурного коэффициента сопротивления (ТКС), коэффициента температурной чувствительности (В), сопротивления при комнатной температуре (R₂₀) чип терморезисторов от состава, условий измельчения исходного порошка терморезистивного материала толщины и температуры спекания терморе­зистивной пленки;

• Исследована температурно-временная стабильность характеристик чип-термо­резисторов. Показано, что защита чип-терморезисторов пленкой легко­плавкого стекла увеличивает их температурно-временную стабильность ТКС, В и R₂₅;

3. В результате проведенных исследований в системе NiO–CoO получен терморе­зи­стивный материал и на его основе методом толстопленочной технологии изго­тов­лены чип-терморезисторы с параметрами, полностью удовлетворяющими предъяв­ляемым к ним требованиям;

4. Разработаны чертежи станка с длинной базой для трафаретной печати проводя­щих резистивных и защитных слоев на поверхности ке­рамической подложки с геометрическими размерами 29081 мм³;

5. Выполнен анализ конкурентоспособности чип-терморезисторов фирмы «Элма–Импульс» Из полученных результатов видно, что чип-терморезисторы фирмы «Элма–Импульс» превосходят по конкурентоспособности аналогичные чип-термо­резисторы зарубежных фирм;

6. Выяснен возможный источник загрязнения окружающей среды– исходные ма­териалы для изготовления чип-терморезисторов. Описаны методы предотвращения и нейтрализации. Выявлены все опасности, которые могут возникнуть при изго­товлении чип-терморезисторов.