Реферат: Терморезисторный эффект. Терморезисторы

Министерствообразования Российской Федерации

УГТУ-УПИ

Кафедра РЭИС

Курс ФОЭ

Р Е Ф Е Р А Т

НА ТЕМУ:

Терморезисторныйэффект. Терморезисторы.

Студент: Косилов А. Н.

Группа: Р-136а

Преподаватель: Болтаев А. В.

Дата сдачи:

Г. Екатеринбург, 2003г.

Аннотация

Терморезистор — это устройство, сопротивление которогоменяется с температурой. Правда, надо заметить, что не все устройства,изменяющие сопротивление с температурой, называются терморезисторами. Например,резистивные термометры, которые изготавливаются из маленьких катушек витойпроволоки или из напыленных металлических плёнок, хотя их параметры и зависятот температуры, однако, работают не так, как терморезисторы. Обычно термин«терморезистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре полупроводниковым устройствам. Терморезисторыс отрицательным ТКС изготавливаются из полупроводникового материала – спеченнойкерамики, изготовленной из смеси оксидов металлов.

Терморезисторы широко применяются везде, и мывстречаемся с ними каждый день: на них основаны системы противопожарнойбезопасности, системы измерения и регулирования температуры, тепловогоконтроля, схемы температурной компенсации, измерения мощности ВЧ. Такжеприменение терморезисторы находят в промышленной электронике и бытовойаппаратуре, в медицине, метеорологии, в химической и других отраслях промышленности.

В этой работе рассматриваются основы самоготерморезисторного эффекта, устройство терморезисторов и важнейшие иххарактеристики.

Содержание:

Краткое описание сущности физического эффекта

Устройство терморезисторов

Используемые материалы

Основные параметры терморезисторов

Основные характеристики терморезисторов

Классификация и маркировка

Сведения о нескольких конкретных приборах

Применение

Библиографический список

Затраты времени

Краткоеописание сущности физического эффекта.

Терморезистор – это устройство, сопротивление которогосильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающийвысоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазонетемператур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которыхпадает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, итерморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается свозрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторыобоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон измененияих ТКС – (-6,5; +70)%/оC.

На самом деле терморезисторный эффект совсем не сложендля понимания. Он заключается в изменении сопротивления полупроводника вбольшую или меньшую сторону за счет убывания или возрастания его температуры. Однако сам механизм изменения сопротивления стемпературой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит фактуменьшения сопротивления при увеличении температуры), и особенности этогофизического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.

В 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС усульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактахметалл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимымихарактеристиками. В 30-х годах уже двадцатого века у некоторых оксидов, как Fe3O4и UO2, обнаружили высокий отрицательный температурныйкоэффициент сопротивления. В конце 30-х – начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, системой NiO-Co2O3-Mn2O3. Интервал удельных сопротивлений расширился благодарядобавлению оксида меди Mn3O4и всистему NiO-Mn2O3.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются изоксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при достаточнонизких температурах обмен электронами соседних ионов затрудняется, при этомэлектропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроныприобретают энергию в виде тепла, процесс обмена ионов электронами становитсяинтенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда.

Далее приведем несколько слов о физическихособенностях терморезисторов (вернее полупроводниковых материалов, на основекоторых изготовлены терморезисторы), имеющих положительный температурныйкоэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такиетерморезисторы часто называют позисторами.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на2 группы:

1.

Терморезисторы изполупроводникового материала (обычно Si) вформе небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Ихприменение основано на том, что легированные кристаллы Si(кремния) как n-, так и p — типаимеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150oCи выше, причем ТКС при комнатной температуре примерноравен 0,8% на 1oC.

2.

Терморезисторы сбольшим ТКС (до 70% на 1oC), но в болееограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллическийполупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120oC, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюриэтого материала. Добавляя другие материалы, например титанат свинца илистронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250oC. Можно также изменить наклон кривой сопротивлениятак, что большое изменение температур будет происходить в более узком интервалетемператур, например 0-100oC.

Можно сказать несколько слов о титанате бария. Принизких температурах это вещество представляет собой диэлектрик с преобладающейспонтанной поляризацией, потенциальный барьер между кристаллами мал. Оченьважна температура, соответствующая точке Кюри для TiBa. При нагреве до этой температуры спонтаннаяполяризация исчезает, возрастает высота барьера и, следовательно, сопротивлениесильно увеличивается.

Подробнее многие свойства и характеристики данногоэффекта и приборов на его основе для материалов как с положительным, так и сотрицательным ТКС будут рассмотрены далее.

Устройство терморезисторов.

Чтобы описать устройство терморезисторов, необходимосначала углубиться в суть физических особенностей этих приборов и рассмотретьважные зависимости характерных для них физических величин.

Температурная зависимость сопротивления являетсяглавной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющейостальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогичнатемпературной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которогоизготовлен данный терморезистор.

Измерения показывают, что температурная зависимостьсопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательнымТКС с достаточной для практики точностью во всем рабочем интервале температурили в его части аппроксимируется выражением <img src="/cache/referats/15512/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">, где RT– величинасопротивления терморезистора при температуре Т, К, постоянная <img src="/cache/referats/15512/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> зависит от физическихсвойств материала и габаритов терморезистора (l– расстояниемежду электронами в см и S– площадь поперечного сечения полупроводниковогоэлемента терморезистора в см2); постоянная Bзависит отфизических свойств материала и может иметь одно или два значения в интервалерабочих температур.

Прологарифмировав <img src="/cache/referats/15512/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1027">, получим <img src="/cache/referats/15512/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1028">lgRи <img src="/cache/referats/15512/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> представляет уравнениепрямой, что значительно облегчает определение интервала температур, в которомформула с необходимой точностью аппроксимирует действительную зависимость RT(T). Порезультатам измерений RTи Tстроят графикзависимости <img src="/cache/referats/15512/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1030">RTсправедливо.

Для практических расчетов удобно исключить постоянную A. Написав формулу для RTдлядвух температур T2и T1и разделив одно на другое, получим:

<img src="/cache/referats/15512/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1031">.

Из этой формулы можно рассчитать величинусопротивления терморезистора при любой температуре T2(винтервале рабочих температур), зная значение постоянной Bисопротивление образца при какой-то температуре T1.

Величина Bопределяется экспериментально измерениемсопротивления терморезистора при двух температурах T1и T2.Логарифмируя предыдущее выражение, легко получить <img src="/cache/referats/15512/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><img src="/cache/referats/15512/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1033"><img src="/cache/referats/15512/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1034">B– градусыЦельсия или Кельвина. B– это коэффициент температурной чувствительности. Еслиопределить ТКС терморезистора α как это обычно принято: <img src="/cache/referats/15512/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1035"><img src="/cache/referats/15512/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> следует, что

Для позисторов температурные зависимостисопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер.При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается приувеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточнойобласти сопротивление Rрезко возрастает при повышении температуры. Крутизнойграфика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределахразличными технологическими приемами.

Для многих типов позисторов сопротивление в довольнобольшом интервале температур (порядка нескольких десятков градусовЦельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону.

где A– постоянная, α – температурный коэффициентсопротивления при температуре toCв абсолютныхединицах.

Итак, терморезисторы изготавливаются из материала,изменяющего свое сопротивление с изменением температуры в соответствии сперечисленными выше основными зависимости R= f(T). В терморезисторах с отрицательным ТКС полупроводниковыйматериал – спеченная керамика, которой придают различные форму и размеры. Ееизготавливают из смеси оксидов металлов, таких, как Mn, Ni, Co, Cu, Fe. Изменяя состав материала и размеры терморезистора,можно получить сопротивления от 1 до 106 Ом при комнатнойтемпературе и ТКС от -2 до 6,5% на 1oC.

Терморезисторы, как уже было сказано, изготавливаютсяразных размеров: от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром 3-25 ммдо стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. Бусинковые терморезисторы можнозаливать стеклом, помещать в стеклянные или пластмассовые оболочки или втранзисторные корпуса. Дисковые защищают чаще изоляционными пленками из лакаили эпоксидных смол.

Важная технологическая операция в производстветерморезисторов – создание омических контактов к термочувствительным элементам.Для этого на торцевых поверхностях термочувствительных элементов, выполненных ввиде стержней, дисков или шайб создают серебряные контакты с помощьюспециальных паст. Для повышения стабильности параметров эти элементы подвергаюттермообработке при 200-300oC. Окончательнаястабилизация происходит путем прогрева элементов в течение сотен часов примаксимальной рабочей температуре.

Когда терморезистивный элемент получен, его защищаютспециальными лаками, а в ряде случаев помещают в стеклянный или металлическийкорпус. При измерении сопротивления надо поддерживать температурутерморезистора с высокой точностью (0,05-0,1oC), так как сопротивление является функциейтемпературы.

Используемыематериалы.

Материал для создания терморезисторов долженудовлетворять следующим требованиям: чисто электронная проводимость материала ивозможность регулирования ее, стабильность характеристик материала в диапазонерабочих температур, простота технологии изготовления изделий. Материалы должныбыть нечувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовленияизделий.

Наибольший интерес вызывают полупроводниковыематериалы, обладающие большим ТКС, кроме комплекса необходимых свойств. Большоераспространение получили CuO, Mn3O4, Co3O4, NiOи ихсмеси. На основе смесей оксидов меди и марганца получены полупроводниковыематериалы с электропроводностью от 10-8 до 10-1(Ом∙см)-1. Электропроводность кобальто-марганцевых окисныхполупроводников лежит в пределах от 10-9 до 10-3(Ом∙см)-1. Получение необходимой электропроводности и ТКСдостигается выбором процентного соотношения оксидов металлов в композиции прииспользовании метода совместного охлаждения щелочью азотнокислых соединениймарганца, кобальта, меди и последующего прокаливания гидратов окислов.

Также используют окислы титана, ванадия, железа. Приизменении соотношения компонентов соответствующих материалов можно получитьзаданные значения удельного сопротивления и ТКС. Использованием указанныхкомпонентов и несколько видоизмененных способов смешения и термического обжигаудалось создать терморезисторы с косвенным подогревом (ТКП).

Интерес для производства терморезисторов вызываюттройные марганцевые системы окислов, так как электропроводность такихматериалов слабо зависит от примесей, следовательно, можно получать на ихоснове терморезисторы с малым разбросом по сопротивлению и ТКС, а значитмассовый выпуск терморезисторов с заданными электрическими параметрами.

Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычноизготавливают из следующих оксидных систем: никель-марганец-медь,никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан,никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец. Кроме того, практикуется добавлениетаких элементов, как железо, алюминий, цинк, магний, которые позволяютмодифицировать свойства перечисленных систем.

Тенденции развития современных материалов сотрицательным ТКС выявили три основных направления в производстветерморезисторов. Главное – получение более стабильных терморезисторов. Врезультате появились взаимозаменяемые высокостабильные приборы с отрицательнымТКС. Это было достигнуто за счет использования более чистых исходныхматериалов, подбора соответствующих композиций и тщательного контроля на всехстадиях изготовления терморезистора.

Второе направление – расширение верхней границырабочих температур. Было создано несколько типов терморезисторов, у которых этаграница приблизительно равна 1000oC. Это было достигнуто за счет применениявысокотемпературных материалов.

Третье направление – создание переключающихтерморезисторов с отрицательным ТКС. Они имеют очень большое изменениесопротивления в узком интервале температур и называются терморезисторы скритической температурой и терморезисторы на основе металлоксидных соединений,в которых используется резкое изменение проводимости от полупроводниковой кметаллической, например VO2с температурой перехода 68oC.

Довольно перспективное направление представляют собойтерморезисторы с положительным ТКС. Терморезистивные элементы с положительнымТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики, сопротивление этихэлементов значительно снижено добавлением редкоземельных элементов. Титанатбария BaTiO3– диэлектрик,поэтому его удельное сопротивление при комнатной температуре велико (1010-1012)Ом∙см. При введении туда примесей, таких, как лантан или церий, вничтожно малых количествах (0,1-0,3 атомного процента) его удельноесопротивление уменьшается до 10-100 Ом∙см. Если ввести эти примеси втитанат бария, его сопротивление в узком интервале температур увеличится нанесколько порядков.

Основные параметрытерморезисторов.

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеютряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможностьиспользования данного терморезистора для решения определенной техническойзадачи.

Основные параметры терморезисторов с отрицательнымТКС:

1.

Габаритные размеры.

2.

Величина сопротивления образцов Rtи RT(в Ом) при определенной температуре окружающей средыв t, oC, или T, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочиетемпературы примерно от -100 до 125-200 oC, температуры окружающей среды принимается равной 20или 25oCи величина Rtназывается«холодным сопротивлением».

3.

Величина ТКС α в процентах на 1oC. Обычно она указывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случаеобозначается через αt.

4.

Постоянная времени τ (в секундах),характеризующая тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, втечение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разноститемператур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100oC.

5.

Максимально допустимая температура tmax, до которой характеристики терморезистора долгоевремя остаются стабильными.

6.

Максимально допустимая мощность рассеивания PmaxвВт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора.Естественно, при нагрузке терморезистора мощностью Pmaxеготемпература не должна превышать tmax.

7.

Коэффициент рассеяния Hв Вт на 1oC. Численно равен мощности, рассеиваемой натерморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1oC.

8.

Коэффициент температурной чувствительности B, размерность – [К].

9.

Коэффициент энергетической чувствительности GвВт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять натерморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициентырассеяния и энергетической чувствительностизависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообменамежду образцом и окружающей средой. Величины G, Hи αсвязаны соотношением: <img src="/cache/referats/15512/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1042"><img src="/cache/referats/15512/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

10.

Теплоемкость Cв Джна 1oC, равная количеству тепла(энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1oC. Можно доказать, что τ, Hи Cсвязанымежду собой следующим соотношением: <img src="/cache/referats/15512/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1044">

Для позисторов, кроме ряда приведенных вышепараметров, обычно указывают также еще примерное положение интервалаположительного температурного коэффициента сопротивления, а также кратностьизменения сопротивления в области положительного ТКС.

Основные характеристикитерморезисторов.

ВАХ– зависимость напряжения на терморезисторе от тока,проходящего через него. Снимается в условиях теплового равновесия с окружающейсредой.

U, B

I, мкА

0 10 20 30 40

На графике: (а) – терморезистор с отрицательным ТКС,(б) – с положительным.

Температурнаяхарактеристика– зависимость R(T), снимающаясяв установившемся режиме.

Принятые допущения: масштаб по оси Rвзятвозрастающий по закону 10x, по оси Tпропущенучасток в интервале (0-223) К.

SHAPE * MERGEFORMAT

105

104

103

102

223

273

323

373

T, K

R, Ом

423

Подогревнаяхарактеристика– характеристика,свойственная терморезисторам косвенного подогрева – зависимость сопротивлениярезистора от подводимой мощности.

Принятые допущения: масштаб по оси Rвзятвозрастающий по закону 10x.

SHAPE * MERGEFORMAT

100

Pподв, мВт

102

103

104

105

R, Ом

Классификацияи маркировка.

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливаютна основе медно-марганцевых (ММТ и СТ3), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ1) имедно-кобальто-марганцевых (СТ3) оксидных полупроводников.

По конструктивному оформлению терморезисторы можноразделить на следующие типы:

·

в видецилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1, КМТ-4,
ММТ-4);

·

в виде дисков(СТ1-17, СТ3-17, СТ5-1);

·

в видеминиатюрных бусинок (СТ1-18, СТ1-19 и др.);

·

в виде плоскихпрямоугольников (СТ3-23).

Особенностью бусинковых терморезисторов типов СТ1-18,СТ3-18 и СТ3-25 является то, что термочувствительный элемент для защиты отвнешних воздействий покрыт тонким слоем стекла, а тонкие платиновые контактыприварены или припаяны (СТ3-25) к траверсам из толстой проволоки.

Терморезисторы типов СТ1-18 и СТ3-18 имеют бусинкудиаметром 0,5 мм (выводы диаметром до 0,05 мм), терморезисторы типа СТ3-25 –0,3 и 0,03 мм соответственно. Терморезисторы типов КМТ-14, СТ1-19 и СТ3-19имеют герметичную конструкцию. Термочувствительный элемент резистора КМТ-14 –бусинка диаметром не более 0,5 мм, нанесенная на две параллельные платиновыепроволоки, приваренные к платиновым выводам диаметром 0,4 мм. Бусинкагерметизирована в коническом конце стеклянной трубки, которая является корпусомтерморезистора. Термочувствительные элементы терморезисторов СТ1-19 и СТ3-19помещены в конец миниатюрной капсулы, которая защищает термочувствительныйэлемент и места соединения контактов с выводами. СТ1-19 и СТ3-19 имеют меньшиеразмеры и более стойки к механическим нагрузкам, чем КМТ-14.

Терморезисторы ММТ-1 и КМТ-1 предназначены для работыв закрытых сухих помещениях, ММТ-4 и КМТ-4 герметизированы, работоспособны вусловиях с повышенной влажностью и даже в жидкой среде.

Также существуют измерительные терморезисторы,предназначенные для измерений в маломощных цепях сверхвысокочастотныхколебаний. Терморезисторы типа ТП (ТП2/0,5, ТП2/2, ТП6/2 – цифра в числителе –номинальное значение напряжения в В, знаменатель – рабочий ток в мА) – длястабилизации напряжения в цепях постоянного или переменного тока с частотой до150 кГц. По конструкции – круглые опрессованные стержни, заключенные встеклянный баллон, воздух из которого откачан до давления 10-5 ммрт. ст.

Терморезисторы ТКП, СТ1-21, СТ3-21 и СТ3-27применяются в радиотехнических устройствах и схемах автоматики как регулируемыебесконтактные резисторы. Они имеют косвенный подогрев от специальной спирали,при изменении тока в которой происходит плавное изменение сопротивлениятерморезистора. Используются, когда необходимо отделить управляемую цепь отуправляющей.

Рабочий элемент и подогреватель терморезисторов типаТКП помещены в стеклянный баллон с нормальным октальным цоколем. Терморезисторытипов СТ1-21, СТ3-21 и СТ3-27 (более новые) имеют более совершенную конструкциюпо сравнению с ТКП.

В отличие от понятия «наименование» резистора, применяемогодля его характеристики в конструкторской и товаропроизводительной документации,под маркировкой резистора понимают цифры, буквы и символы, наносимые на корпусрезистора.

Маркировка содержит лишь самые необходимые и важнейшиесведения о резисторе. Обязательным показателем во всех случаях являетсяноминальное сопротивление.

Сведения о несколькихконкретных приборах.

Терморезисторы с отрицательным ТКС прямого подогрева.

Стержневые итрубчатые.

КМТ-1, ММТ-1,СТ3-1.

Терморезисторы негерметизированные неизолированныепредназначены для измерения и регулирования температуры в электрических цепяхпостоянного, пульсирующего и переменного тока частотой до 400 Гц, а также длятемпературной компенсации элементов электрических схем, имеющих положительныйтемпературный коэффициент сопротивления.

Масса: не более 0,6 г

Диапазон номинальных сопротивлений:

КМТ-1: 22∙103-1∙106Ом

ММТ-1: 1∙103-220∙103Ом

СТ3-1: 680-2,2∙103Ом

Примечание: промежуточные значения номинальныхсопротивлений соответствуют ряду Е6 с допуском ±20% (ММТ-1, КМТ-1); ряду Е12 сдопусками ±10, ±20% (СТ3-1).

Максимальная мощность рассеяния:

КМТ-1: 1000 мВт

ММТ-1, СТ3-1: 600 мВт

Температурный коэффициент сопротивления:

КМТ-1: -(4,2-8,4) %/oC

ММТ-1: -(2,4-5,6) %/oC

СТ3-1: -(3,35-3,95) %/oC

Коэффициент температурной чувствительности:

КМТ-1: 3600-7200 К

ММТ-1: 2060-4300 К

СТ3-1: 2870-3395 К

Коэффициент рассеяния: 5 мВт/oC

Коэффициент энергетической чувствительности:

КМТ-1: 1 мВт

ММТ-1, СТ3-1: 1,3 мВт

Постоянная времени: не более 85с

Предельные эксплуатационные данные:

Температура окружающей среды:

КМТ-1: от -60 до +155oC

ММТ-1, СТ3-1: от -60 до +125 oC

Относительная влажность воздуха:

КМТ-1, ММТ-1при температуре ±25oC: до 98%

СТ3-1 притемпературе +35oC: до 98%

Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт.ст.)

Минимальная наработка:

КМТ-1, ММТ-1:15 000 часов

СТ3-1: 5 000 часов

Срок сохраняемости:

КМТ-1, ММТ-1:15 лет

СТ3-1: 12 лет

Бусинковые.

ТР-4.

Терморезисторы герметизированные изолированныепредназначены для использования в сигнализаторах уровня жидкости, измерения ирегулирования температуры, а также для температурной компенсации элементовэлектрической цепи с положительным ТКС.

Масса: не более 0,3 г

Номинальное сопротивление: 1∙103 Ом.

Примечание:допуск ±20%.

Максимал

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Методы и алгоритмы компоновки, размещения и трассировки печатных плат

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Виды модуляций радиосигнала

29 Августа 2013