8.5. Полупроводниковые тс

Терморезисторные характеристики полупроводников значительно различаются. Поэтому обобщение их в одном структурном подразделении условно. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность. ТКС большинства терморезисторных полупроводников на порядок, а для некоторых материалов в экстремальных условиях — на два порядка больше соответствующего среднего значения для металлов.

Целесообразно разделить полупроводники, используемые при измере­нии низких температур, на материалы, обладающие отрицательным ТКС,— термисторы; материалы, обладающие положительным ТКС,—позисторы. Все полупроводниковые ТС имеют сравнительно небольшой срок примене­ния, поэтому они не вошли в номенклатуру приборов, используемых в метрологии.

При измерении низких температур вблизи О К наиболее часто используются германий и кремний, обладающие термисторной чувствительностью (см. рис. 8.1, кривая 2). С уменьшением 1емпературы растет не только само сопротивление, но и производная — коэффициент сопротивления. Сопротивление чистых германия и кремния увеличивается настолько интенсивно, что в тройной точке водорода (13,81 К) оно так велико, что материал прак­тически становится изолятором. Поэтому чистые материалы можно ис­пользовать для измерений температур выше 20 К.

Для более низких температур необходимо легирование мышьяком, индием, сурьмой, галлием из расчета добавки примерно 10¹⁷ легирующих атомов на 1 см³. Полученный таким образом кристалл размерами 1 мм⁸ при 10 К имеет сопротивление 14 Ом при 1 К — 216 Ом. При температуре около 4 К воспроизводимость легированного германия оценивается в 10-³ К.

Несмотря на большую нелинейность зависимости сопротивления от температуры, германиевые ТС находят широкое применение для измерений в диапазоне 0,5...12 К, поскольку другие виды ТС имеют еще большую нелинейность.

Угольные элементы по характеру проводимости занимают промежуточ­ное положение между металлами и полупроводниками, обладают больший отрицательным ТКС и эффективно применяются в качестве чувствительных элементов при измерениях низких температур. Углеграфитные сопротив­ления наносятся на изоляционную подложку методом вжигания или пи­ролиза. Сопротивление полученной тонкой пленки существенно зависит от состояния свободной поверхности. Поэтому поверхность должна быть тщательно обработана и защищена изоляционным покрытием.

В связи с эффективным применением углепластиков в машинострое­нии значительно усовершенствовалась технология получения углеграфитных волокон. Нити таких волокон широко используются для изготовления чувствительных элементов ТС, которые применяются для измерения тем­ператур, начиная от 0,1 К. Верхний предел ограничен возможностью на­чала окисления углерода при температуре, превышающей 900 К, и субли­мации при температуре выше 2800 К. Большие конструктивные трудности связаны с контактами переходов от неметаллического углерода к металлическим проводам.

Термисторные промышленные ТС. Благодаря высокой чувствительности термисторные ТС эффективно применяются для измерения температур в диапазоне 170...570 К.

Термисторы изготовляются на основе оксидных материалов, например, из твердого раствора Fe2O3 в материалах кристаллической структуры типа шпинель Zn2TiO4, MgTiO4 или MgCrO4. Для идентичности изделий с целью получения требуемого значения сопротивления добавляют стабилизирую­щие вещества: оксиды никеля, углерода, магния и др. При помощи плас­тичного связующего вещества методом прессования смеси придается необ­ходимая форма (сферическая, цилиндрическая, дисковая). Форма изделия определяется условиями работы, для которых оно предназначено. Спрессованная в форме заготовка вместе с выводами подвергается спеканию.

Для измерения температуры поверхности применяются термисторы в виде плоской шайбы, тонкого диска или бусинки небольшого диаметра.

Бусинковый терморезистор диаметром 0,5 мм, покрытый глазурью, в спо­койном воздухе имеет показатель тепловой инерции 0,3 с. Типичные кон­струкции термисторных ТС приведены на рис. 8.42—8.45.

Воспроизводимость ТС на базе терморезистора, состаренного в тече­ние длительного времени, при измерении температуры в диапазоне —40...+180 °С составляет ±0,2 К. В качестве защитной арматуры ТС приме­няются тонкостенные трубки из стекла и нержавеющей стали, обеспечиваю­щие тепловой контакт с терморезистором.

Полупроводниковые сопротивления КМТ, СТ1 и ПТ изготовляются на основе полупроводниковых оксидов кобальта и марганца, ММТ и СТ2 — меди и марганца, СТЗ и МКМТ — меди, кобальта и марганца, СТ4 — ни­келя, кобальта и марганца; СТ5 — на основе титаната бария, легированного 0,1 % (по массе) Ge, CT6— на основе легированных твердых растворов в системе BaTiO3 — BaSnO3, СТ10 — на основе системы BaSr — TiSiO3, легированной церием.

Основные характеристики большинства технических типов ПС с отрицательным ТКС прямого подогрева, применяемых в качестве чув­ствительных элементов, приведены в табл. 8.7, а условия их эксплуатации — в табл. 8.8. В ТС в основном применяются ПС следующих типов ММТ-1 ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4 и СТЗ-1 (см. рис. 8.42).

Серийные полупроводниковые ТС не обладают высокой стабильностью характеристик. В процессе эксплуатации через (2...5) • 10³ ч большинство из них приобретает свойства, которые в дальнейшем изменяются мало. На рис. 8.46 показано изменение добавочного сопротивления, получаемо­го в процессе эксплуатации. Кривые построены по средним данным для партии в 10,,,15 штук, Разброс индивидуальных характеристика несколько раз превышает показанные на рис. 8.46. Технология искусственного старе­ния, стабилизации и унификации свойств термисторных ТС пока еще не нашла в промышленности эффективных решений. Из стержневых транзис­торных ТС наименьшим разбросом по параметрам отличаются СТЗ-1 и СТЗ-6.

Для контроля и регулирования температуры применяются бусинковые ПС (см. рис. 8.43). Кобальтомарганцевые бусинковые ПС, гермети­зированные в стекле, применяются в ТС для измерения температуры до 300 °С. ПС типа СТ1-18 и СТЗ-18 приваривают к специальным траверсам для исключения возможности изменения номинальной статической харак­теристики при установке на объекте. ПС может быть отделено от траверсы. В этом случае соединение его с платиновыми проводами осуществляется приваркой контактных проводов или посредством специальных прово­дящих паст.

У ПС СТ1-19, СТЗ-19 и МК.МТ-16 полупроводниковая бусинка гер­метизирована в миниатюрной капсуле. Миниатюрные бусинковые ПС типа МКМТ предназначены для измерения температуры живых организмов. На основе медно-кобальтомарганцевых оксидных полупроводников раз­работана серия полупроводниковых микросопротивлений ТС (типа МТ-54, МТ-5, МТ-57, МТ-58 и др.), предназначенных для измерения темпе­ратуры ряда биологических объектов, в частности растений.

Температурная зависимость сопротивления терморезистора выража­ется уравнением R = Ae^в/⁷ где Л и В — постоянные коэффициенты.

Экспоненциальный характер этой зависимости затрудняет использование термисторных ТС в широком температурном диапазоне. ТС, предназначен­ные для комнатной температуры, непригодны для измерений при—100 °С или при 200 °С. Подбор ТС для измерений на требуемом уровне темпера­тур производят по значению коэффициента 5: для измерений в диапазоне от «гелиевых» до «водородных» температур B = 50... 100 К; от «водородных» до «азотных» В = 100...300 К; на уровне «кислородных» В = 500...1500 К.

Позисторные промышленные ТС. Поэисторы также относятся к полупроводниковым ТС, но в отличие от термисторов имеют положительный.

Они применяются в сравнительно узком диапазоне температур (20...100 °С), причем для каждого типа позистора диапазон измерения еще уже и составляет несколько кельвин. Пока позисторные ТС находят ограниченное применение в системах автоматики и защиты. Превосходные харак­теристики по мере развития технологии производства должны открыть им широкое применение.

Конструктивное оформление по­зисторных ТС аналогично таковому термический ТКС. Чувствительные элементы позисторных ТС изготовляются из сегнетоэлектрических керамик, на основе титанатов, цирконатов, глицинатов и т, п, свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать

в термисторах. В диапазоне измеряемой температуры температурная за­висимость сопротивления позисторов является экспоненциальной. Изменение сопротивления за пределами этого диапазона показано на рис. 8.47