|
|
|
ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИПеред началом изучения этого раздела желательно ознакомиться с разделом 3.5.2 главы 3. Хамфри Дэви еще в 1821 году заметил, что электрическое сопротивление различных металлов зависит от температуры [1]. Вильям Сименс в 1871 году разработал первый платиновый резистивный термометр. А в 1887 году Хью Каллендар опубликовал статью [2], в той он описал способы практического применения платиновых термометров. Достоинствами терморезистив-ных сенсоров являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность. Такие датчики можно разделить на три подгруппы: РДТ, детекторы на р-n переходах и термисторы.Резистивные детекторы температуры Этот термин обычно относится к металлическим детекторам, которые бывают проволочными и тонкопленочными. Поскольку удельное сопротивление всех металлов и большинства сплавов зависит от температуры, на их основе можно разрабатывать чувствительные элементы для измерения температуры (см. Приложение). Хотя для изготовления температурных детекторов подходят практически все металлы, но все же, в основном, для этих целей используется только платина. Это объясняется воспроизводимостью ее характеристик, долговременной стабильностью и прочностью. Для измерения температур выше 600°С применяются вольфрамовые РДТ. Все РДТ обладают положительными температурными коэффициентами. Выпускаются несколько типов РДТ: 1. Тонкопленочные РДТ, изготовленные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на подходящую подложку, к примеру, на кремниевую микромембрану. РДТ часто формируются в виде серпантинной структуры для получения высокого отношения длины к ширине 2. Проволочные РДТ, в которых платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея. Такая конструкция позволяет изготавливать датчики, обладающие очень высокой стабильностью. В соответствии с Международной практической температурной шкалой (IPTS-68) прецизионные датчики температуры должны калиброваться при температурах, определяемых воспроизводимыми равновесными состояниями некоторых материалов. В этой шкале температуры в Кельвинах обозначаются символом T6g, а в градусах Цельсия — t№. Международный Комитет по Весам и Мерам в сентябре 1989 года принял новую Международную температурную шкалу (1TS-90). В ней температура в градусах Цельсия обозначается как ?90. В таблице 16.2 приведены различия между этими двумя шкалами, которые важны при проведении прецизионных измерений. Таблица 16.1. Эталонные температурные точки
Кремниевые резистивные датчики Кремний широко используется для изготовления сенсоров температуры, обладающих положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротивления. В настоящее время кремниевые резистивные датчики часто встраиваются в микроструктуры для осуществления температурной компенсации или проведения прямых измерений температуры. Также существуют дискретные кремниевые датчики, к примеру, детекторы температуры KTY фирмы Philips. Такие датчики обладают довольно хорошей линейностью (которая может быть улучшена при помощи простых термокомпенсационных цепей) и высокой долговременной стабильностью (обычно ±0.05К в год). ПТК кремниевых резисторов позволяет их использовать в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств: среднее превышение температуры (до 200°С) приводит к увеличению их сопротивления, за счет чего осуществляется функция самозащиты. Чистый кремний, как монокристаллический, так и поликремний, сам по себе обладает отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) сопротивления (рис. 18.1 Б главы 18). 
Рис. 16.4. Удельное сопротивление и количество свободных
носителей зарядов в кремнии, легированном примесями n-типа
Однако после легирования примесями n-типа, в определенном температурном диапазоне его температурный коэффициент становится положительным (рис. 16.4). Этот эффект объясняется снижением подвижности носителей зарядов при понижении температуры. При высоких температурах количество свободных носителей зарядов увеличивается за счет спонтанно образуемых носителей, поэтому в этом температурном диапазоне преобладают собственные полупроводниковые свойства кремния. Таким образом, при температурах ниже 200°С, удельное сопротивление кремния имеет ПТК, а при температурах выше 200°С он становится отрицательным. KTY датчик состоит из кристалла кремния n-типа размером 500x500x240 мкм, металлизированного с одной стороны и с контактной площадкой с другой стороны. При такой конструкции датчика создается эффект «растягивания» сопротивления, в результате того внутри кристалла устанавливается коническое распределение тока, значительно снижающее зависимость характеристик от производственных допусков. При больших токах и высоких температурах KTY датчик становится чувствительным к направлению тока. Для решения этой проблемы применяется сдвоенный датчик, в котором два чувствительных элемента включаются последовательно навстречу друг другу. Такие датчики часто используются в автомобилях. Типичная чувствительность кремниевого датчика с ПТК составляет порядка 0.7%/°С, т.е. его сопротивление меняется на 0.7% при изменении температуры на 1°С. Передаточную функцию KTY датчика можно аппроксимировать полиномом второго порядка: Рис. 16.5. Передаточная функция кремниевого датчика температуры 
где R и Т — сопротивление в Омах и температура в Кельвинах,
измеренные в эталонной точке. к примеру, рабочий диапазон сенсоров KTY-81
составляет — 55...+150°С, А = 0.007874К1, В =1.874x10»5К2. На рис. 16.5
отображена типовая передаточная функция кремниевого резистивного датчика.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
