Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Температурный диапазон применения термисторов различных типов
- от нескольких градусов абсолютной температуры приблизительно до 300 °С. Их можно применять и за пределами этого диапазона, но при этом возникает серьезная опасность существенного изменения номинального сопротивления датчика. Без специального отбора взаимозаменяемость термисторов одного и того же типа весьма посредственна, поскольку обычные отклонения сопротивления от номинальной величины составляют ± 10%.
Взаимосвязь между сопротивлением и температурой. Сопротивление термистора можно выразить следующей формулой:
R (T ) = R (TT)"" exp [Р (1/T— 1/T)], (43)
где R0 - сопротивление при температуре Т0, выраженное в кельвинах. В соответствии с этой формулой чувствительность к температуре равна:
а R = -(р + bT) / Т2. (44)
Поскольку в выражении для сопротивления экспоненциальный член является определяющим, это выражение обычно записывают в упрощенной форме (26) и полагают, что величина В не зависит от температуры. В этом случае чувствительность к температуре описывается соотношением
aR = — B/T , где В обычно составляет от 3000 до 5000 К.
На рис. 9а дан пример зависимости сопротивления термистора (UUA32 J4 фирмы Omega) от 1/Т (в полулогарифмической системе координат). На рис.9б приведена зависимость aR от Т для того же термисто-
32
ра. Величина aR уменьшается с ростом температуры, но все же ее значения в рабочем диапазоне остаются значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления. Значение В для этого термистора равно 3200 К при температуре -80°С и увеличивается до 4150 К при 150°С, что соответствует Р=2600 К и b=3,60. В ограниченном диапазоне температур, в котором часто используются термисторы, величину В можно считать постоянной.
1/T
T,
400
б)
а)
Рис. 9. Изменение характеристик термистора UUA 32 J4 в зависимости от температуры (данные фирмы Omega): а- сопротивление; б - чувствительность к температуре.
Высокая чувствительность термисторов к температуре позволяет применять их для обнаружения и измерения очень малых изменений температуры (от 10-4 до 10-3 К). Термисторы можно использовать в диапазоне от нескольких градусов абсолютной температуры приблизительно до 300 °С без каких-либо серьезных трудностей, связанных с обеспечением надежности. За пределами этого диапазона необходимо выбирать специальные материалы, например карбид кремния, и использовать защиту от химического воздействия. Для измерения низких температур используют термисторы с малым сопротивлением при температуре 25°С (например, 50 или 100 Ом), тогда как для измерения высоких температур применяют термисторы со значительным сопротивлением при указанной температуре (например, от 100 до 500 Ом). Окончательный выбор термистора зависит от типа измерительной аппаратуры.
4.3. Кремниевые термометры сопротивления
Полупроводниковые датчики температуры этого типа отличаются от
33
рассмотренных выше термисторов следующими особенностями. У кремниевых датчиков температурный коэффициент сопротивления положительный и имеет величину порядка 0,7% /°С при температуре 25°С; более слабая зависимость сопротивления от температуры позволяет осуществить линеаризацию характеристики датчика с высокой точностью во всем рабочем диапазоне температур при помощи единственного резистора с постоянным сопротивлением, присоединенного, в зависимости от схемы измерения, последовательно ила параллельно (рис. 10). Взаимозаменяемость этих резисторов очень хорошая; она обеспечивается высокой точностью и стабильностью технологии изготовления. Рабочий диапазон температур от -50 до 120 °С.
R,
Рис. 10. Линеаризация характеристик кремниевого зонда с помощью параллельно присоединенного резистора с постоянным сопротивлением R/. a - изменение сопротивлений в зависимости от температуры: б - нелинейность линеаризованного датчика;----нелинеаризованный зонд; - • - линеаризация в диапазоне от 0 до 100°С, Ri =2.6 к0м;--линеаризация в диапазоне от -55 до 125°С; Ri
=2.5 кОм.
Эти резисторы изготавливаются по планарной технологии посредством диффузии примесей (обычно типа п) через отверстие маски в пластинку монокристаллического кремния. Строгий контроль параметров, определяющих величину сопротивления, позволяет ограничивать отклонения от номинального значения величиной не более 1%. Изменение сопротивления кремния от температуры зависит от количества примеси. Существуют две области температур с различным изменением сопротивления. При температурах ниже ~120°С в рабочем диапазоне кремниевых датчиков величина сопротивления увеличивается с ростом температуры вследствие снижения подвижности носителей заряда, концентрация которых остается практически постоянной. Температурный коэффициент сопротивления тем меньше, чем больше концентрация диффундировав-
34
ших примесей.
При более высоких температурах сопротивление уменьшается с ростом температуры. Как и в случае рассмотренных выше термисторов, определяющей здесь является термическая ионизация, которая создает концентрацию носителей заряда, значительно превышающую концентрацию примесей. Температурный коэффициент сопротивления в этой области не зависит от количества примесей и такой же, как у чистого материала.
