Термисторы

Сопротивление термисторов с ОТК, определяется их физическими размерами и удельным сопротивлением материала. Зависимость между величиной сопротивления и температурой является сильно нелинейной (рисунок 7).

Рисунок 7 - Зависимость сопротивления от температуры для двух термисторов

При проведении прецизионных измерений или при работе в широком диапазоне температур нельзя напрямую использовать справочные характеристики термисторов, поскольку типовые допуски на номинальные значения серийно выпускаемых изделий при температуре 25°С составляют порядка ± 20%. Поэтому для достижения высокой точности измерений термисторы необходимо индивидуально калибровать в широком температурном диапазоне.

Передаточные функции термисторов являются аналитическими выражениями, связывающими величину сопротивления и температуру. Для описания передаточной функции термисторов предложено несколько математических моделей: простая модель, модель Фрайдена, модель Стейнхорта - Хорта. Все модели являются аппроксимациями, и, как правило, чем проще модель, тем ниже ее точность. Построены эти модели на экспериментально доказанном факте, что логарифм сопротивления термистора связан с абсолютной температурой следующей полиноминальной зависимостью:

(8)

Недостатки: эффект саморазогрева в следствии протекания через детектор тока. Приводит к появлению погрешности при измерении температуры объекта.

Позисторы

Термисторы с ПТК обычно изготавливаются на базе поликристаллических керамических материалов, основные компоненты которых, обладающие высоким удельным сопротивлением, легируются дополнительными примесями для придания им свойств полупроводников.

Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление R резко возрастает при повышении температуры.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1. Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и p- типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150C и выше, причем ТКС при комнатной температуре примерно равен 0,8% на 1C.

2. Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1C), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120C, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250C.

Кремниевые датчики температуры

Наиболее широкое распространение получили датчики на основе термо­резисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан на температур­ной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по от­но­шению к дестабилизирующим факторам. Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффи­циентом сопротивления (ТКС).

В настоящее время в области практического использования никакой полупроводниковый материал не может конкурировать с кремнием по степени изученности характеристик и, особенно, по степени разработанности и осво­ен­ности технологии изготовления. Поскольку кремний имеет достаточно широкую (E_y  1,17 эВ) зону проводимости и, кроме того, интенсивное окисление поверхности кремния происходит при температурах, больших 1000 К, то на его основе могут создаваться высокотемпературные термодатчики. На основе моно­кристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как с положи­тельным, так и с отрицательным значением ТКС в области средних температур.

Отрицательное значение ТКС получают при легировании кремния такими при­месями, как золото и железо, которые создают в запрещенной зоне “глубокие “ уровни, т.е. уровни, энергия активации которых близка к 0,5^.E_y.

Положительным значением ТКС в широком диапазоне температур обладает кремний, легиро­ван­ный примесями с малой энергией активации (бор, фосфор).

Таким образом, на основе чувствительных элементов, изготовленных из монокристаллического кремния, разработаны и выпускаются серийно термодатчики с широким набором номинальных сопротивлений R_н, работающих в диапазоне температур несколько сотен Кельвина. Для датчиков этого типа харак­терны такие недостатки, как:

1. Значительный разброс номинальных сопротивлений (5…10)%, выз­ванный разбросом удельного сопротивления и размеров кристалла кремния.

2. Разброс значений ТКС, обусловленный разбросом степени легирования кремния. Уменьшение разброса значений ТКС ограничено возможностями сов­ременной технологии;

3. Достаточно большое значение показателя термической инерции из-за необходимости размещения полупроводниковых чувствительных элементов в корпусах для их защиты от окружающей среды и обеспечения электрической изоляции от объекта.

Кроме того, процесс сборки термодатчиков такого типа трудно поддается автоматизации и, как правило, осуществляется с использованием большой доли ручного труда. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.