Главная Промышленные терморезисторы



нагревателя для других дисковых терморезисторов косвенного подогрева с отрицательным ТКС, с которыми он находился в хорошем тепловом контакте.

Глава 8

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС

В предыдущих главах мы имели дело с терморезисторами, изготовленными из оксидных смесей, которые кристаллизуются с образованием кубической структуры или структуры шпинели и обычно работают в интервале температур от -60 до --300°С. Технология их изготовления стала уже классической, а основные электрические характеристики и режимы работы этих приборов стали общеизвестными за 35 лет их существования как промышленных изделий. Естественно, что за этот период времени были созданы новые материалы и методы изготовления терморезисторов, именно таким новым прибором и посвящена настоящая глава.

Терморезисторы обладают принципиальным преимуществом перед другими типами термочувствительных элементов, которое заключается в более высокой чувствительности к изменениям температуры по сравнению с другими приборами для измерения температуры. Это преимущество успешно использовалось при низких температурах, но верхний рабочий предел 300° С в течение многих лет не позволял терморезисторам конкурировать с такими термочувствительными элементами, как термопары, термометры сопротивления, а также оптические пирометры. Поэтому, естественно, были предприняты попытки создать терморезисторы, способные работать при температуре 1000° С и выше. В этом гаправлении был достигнут определенный прогресс, результатом которого стало несколько типов высокотемпературных приборов, сгособных работать в областях, традиционно принадлежавших "олько термопарам и термометрам сопротивления. Теперь мы перейдем к описанию материалов и характеристик этих и других экспериментальных терморезисторов.

Можно (Предположить, что вслед за созданием и промышленным освоением терморезисторов с положительным ТКС, способных резко изменять свое сопротивление при незначительном изменении температуры, исследователи начнут шоиск материалов с отрицательным ТКС, обладающих аналогичным свойством. Такие Материалы и приборы с быстрым переходом в низкоомное состояние при небольшом повышении температуры также нашли бы широкое применение, если бы удалось воспроизводимо управлять ло-ложением точки переключения сопротивления в нужном интервале температур. В настоящее время промышленность выпускает бусинковые и тонкопленочные терморезисторы прямого и косвенного по-



догрева с отрицательным ТКС, у которых точку (переключения со противления можно перемещать в узком интервале относительно температуры примерно 68° С. Пока эти приборы находят ограниченное применение из-за узости диапазона температур переключения, но их разработка находится еще на ранних стадиях по сравнению с традиционными терморезисторами с отрицательным и hq, ложительным ТКС.

8.1. Высокотемпературные терморезисторы

Одна из первых попыток создать материалы, пригодные дл) изготовления высокотемпературных терморезисторов с отрицатель ным ТКС, была предпринята сотрудниками французской фирм CSF [1]. Систематическое изучение смесей тугоплавких оксидов i металлов показало, что их температурные зависимости сопроти ления носят аномальный характер и поэтому они не годятся дл$ изготовления терморезисторов. Затем внимание исследователе! привлекли оксидные полупроводнпки п-типа, такие как ZnO, ТЮг, ТагОб, V2O5, и их смеси. Было установлено, что оксиды многовалентных металлов Ti, Та и V очень легко меняют валентность н более высокую или более низкую и поэтому химически неустойчивы в требуемых температурных диапазонах. Оксидные полупроводники р-типа, такие как NiO, не пригодны сами по себе, но в смеси с оксидами щелочно-земельных металлов обнаружили полезны свойства. Экспериментальный терморезистор с высокой кoнцeнтpd цией оксида бария имел ТКС-0,57о/°С при температуре 1000° С Фирмой CSF были изготовлены терморезисторы из смеси двух Tyj гоплавких оксидов неизвестного состава, имеющие форму парал1 лелепипеда размером 5X5X30 мм с платиновыми электродами ц проволочными выводами из стойкого к окислению сплава и рабо тающие при температурах соответственно 650 и 1150° С. Крива стабильности более высокотемпературного прибора показала, чт его сопротивление снижается примерно на 20% в течение первь» 5 суток, но затем оно стабилизируется и практически не меняется I течение последующих 90-суточных испытаний. Их ТКС составля1 -0,8°/о°/С при 1000° С. Недостатком этих приборов является я4 обходимость защиты терморезистора от окружающей среды, KOTd рая осуществлялась с помощью стеатитовой оболочки. Надо отм тить, что эти высокотемпературные терморезисторы не нашли при мышленного применения.

Карбид кремния является высокотемпературным полупроводнй ковым материалом, свойства которого могли бы послужить осно! вой для создания высокотемпературных терморезисторов с отрЯ цательным ТКС Этот материал в монокристаллической форм изучался американской фирмой Carborundum Company [2], kotoJ рая запатентовала пять основных типов таких терморезисторов. Ц ним принадлежат терморезисторы из чистого нелегированного SiCi из SiC, компенсированного эквивалентными количествами примесей п- и р-типов для получения высокоомного материала; из более



ряэкоомного материала р-типа, легированного элементами Ilia 1-руппы Периодической системы (т. е. В, А1 или Ga); из более низкоомного материала п-типа, легированного элементами Va грхппы (Р или As), и, наконец, из карбида кремния с высокой концентрацией бора, который увеличивает удельное сопротивление карбида за счет деформации его кристаллической решетки. Электрическими контактами служили две вольфрамовые проволоки, присоединенные к противоположным поверхностям кристалла карбида кремния, и через них пропускали большой ток. При пропускании такого тока температура в контактных зонах повышалась до 1950° С и выводы приваривались к поверхности карбида кремния. Высокотемпературные терморезисторы из карбида кремния (согласно рекламным проспектам) имеют параметр 5 = 12 500 К, сопротивление 700 Ом при 700° С и рабочую температуру до 900° С, однако их промышленный выпуск еще не освоен.

Оксидные твердые растворы со структурой шпинели также исследовались с целью их возможного использования при высоких температурах, и были созданы дисковые терморезисторы для работы при температурах вплоть до 1000° С [3]. Основой этого терморезистора служат оксиды Мп и Fe с примесью оксидов Mg, Со, Ni и Zn. Способы изготовления в основном аналогичны тем, которые используются для обычных дисковых терморезисторов с отрицательным ТКС, за исключением того, что серебряные электроды заменяются золотыми или платиновыми, чтобы устранить окисление материала контактов при высоких температурах. В [3] приводятся 29 различных композиций, но ни одного промышленного образца таких высокотемпературных терморезисторов пока не изготовлено. Один оксид со структурой шпинели, который успешно применялся для изготовления терморезисторов с отрицательным ТКС и рабочей температурой до 1000° С, представляет собой закись-окись кобальта С03О4. Из этого материала были изготовлены толстопленочные терморезисторы путем нанесения трафаретной печатью на подложку из оксида алюминия пасты, состоящей из оксида кобальта с органическим связующим, и последующего спекания пленки точно при 1300°С [4]. Температура спекания весьма критична с точки зрения получения конечных свойств прибора. При слишком низкой температуре образуется в основном СоОз, а при слишком высокой температуре-СоО, причем ни одно из этих соединений не является чистым полупроводником. Пленка СоО, полученная при температуре 1500° С, не чувствительна к Температуре, однако чувствительна к влажности и поэтому пригодна для датчиков влажности. Контакты этого терморезистора формируют нанесением и спеканием слоя платина-золото или палладия. Толстопленочный терморезистор из оксида кобальта обладает нормальной экспоненциальной температурной зависимостью сопротивления с температурным коэффициентом, равным 2870 К при изменении температуры от -20 до -f 1000° С. Эти приборы выпускаются без выводов, что ограничивает их промышленное применение температурами ниже 450° С.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [38] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67


0.0129