Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про терморезистор, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое терморезистор, позистор, болометр, микроболометр , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Терморезистор (NTC-терморезистор) (термистор, термосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.
Терморезистор был изобретен Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.
Изготавливают терморезисторы из различных материалов, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых достаточно высок, - значительно превосходит металлические сплавы и чистые металлы, то есть именно из особых, специфичных полупроводников. По характеру корреляции сопротивления элемента и его температуры, разделяют терморезисторы на две большие группы - на позистор ы и термисторы. Позисторы обладают положительным ТКС (по этой причине позисторы еще называют PTC-термисторами), а термисторы — отрицательным (их называют поэтому NTC-термисторами). Так, с возрастанием температуры корпуса позистора растет и его сопротивление, а с ростом температуры термистора — его сопротивление соответственно уменьшается.
Датчик температуры на основе термистора
Символ терморезистора, используемый в схемах
На схеме термистр имеет следующее обозначение:
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) для позистора.
Зависимость сопротивления терморезистора от температуры.
1 — ТКС < 0
2 — ТКС > 0
Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методамипорошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2 см.
Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.
Терморезистор был изобретен Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.
Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Их еще называют NTC-термисторы(Negative temperature coefficient) и PTC-термисторы (Positive temperature coefficient) соответственно. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов —- наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.
Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа AIII BV, стеклообразных полупроводников и других материалов.
Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–106 Ом.
Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрических цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электромагнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условийтеплообмена терморезистора со средой.
Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции — с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нем). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.
Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твердых растворов на основе BaTiO3. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5–0,7 %/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.
Пример терморезистора
Непосредственно основной резистивный элемент получают посредством порошковой металлургии, обрабатывая халькогениды, галогениды и оксиды определенных металлов, придавая им различные формы, например форму дисков или стержней различных размеров, больших шайб, средних трубок, тонких пластинок, маленьких бусинок, размерами от единиц микрон до десятков миллиметров.
Материалами для терморезисторов сегодня служат: смеси поликристаллических оксидов переходных металлов, таких как кобальт, марганец, медь и никель, соединений AIIIBV-типа, а также легированных, стеклообразных полупроводников, таких как кремний и германий, и некоторых других веществ. Примечательны позисторы из твердых растворов на базе титаната бария.
Терморезисторы в целом можно классифицировать на:
Низкотемпературного класса (рабочая температура ниже 170 К);
Среднетемпературного класса (рабочая температура от 170 К до 510 К);
Высокотемпературного класса (рабочая температура от 570 К и выше);
Отдельный класс высокотемпературных (рабочая температура от 900 К до 1300 К).
Все эти элементы, как термисторы, так и позисторы, могут работать при разнообразных климатических внешних условиях и при существенных физических внешних и токовых нагрузках. Однако в жестких термоцикличных режимах, со временем меняются их исходные термоэлектрические характеристики, как то номинальное сопротивление при комнатной температуре и температурный коэффициент сопротивления.
Встречаются и комбинированные компоненты, например терморезисторы с косвенным нагревом. В корпусах таких приборов размещены сам и терморезистор и гальванически изолированный нагревательный элемент, задающий исходную температуру терморезистора, и, соответствующим образом, его начальное электрическое сопротивление.
Данные приборы применяются в качестве переменных резисторов, управляемых напряжением, приложенным к нагревательному элементу терморезистора.
В зависимости от того, как выбрана рабочая точка на ВАХ конкретного компонента, определяется и режим работы терморезистора в схеме. А сама ВАХ связана с конструктивными особенностями и с приложенной к корпусу компонента температурой.
Для контроля за вариациями температур и с целью компенсации динамически меняющихся параметров, таких как протекающий ток и приложенное напряжение в электрических цепях, изменяющихся вслед за изменениями температурных условий, применяют терморезисторы с выставлением рабочей точки на линейном участке ВАХ.
Но рабочая точка выставляется традиционно на спадающем участке ВАХ (NTC-термисторы), если термистор применяется, например, в качестве пускового устройства, реле времени, в системе отслеживания и измерения интенсивности СВЧ-излучения, в системах пожарной сигнализации, термического контроля, в установках управления расходом сыпучих веществ и жидкостей.
Наиболее популярны сегодня среднетемпературные термисторы и позисторы с ТКС от -2,4 до -8,4 % на 1 К. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Они работают в широком диапазоне сопротивлений от единиц Ом до единиц мегаом.
Позистор (РТС-терморезистор) - это электронный компонент, имеющий положительный коэффициент сопротивления и выполняющий двойную функцию: нагревателя и температурного датчика. При подаче высокого напряжения или тока электронный компонент греется. Чем выше становится температура, тем сильнее увеличивается его внутреннее сопротивление, а значит меньше тока будет протекать через элемент. Нагрев РТС-компонента может происходить под воздействием внешней среды. В этом случае он работает, как датчик температуры.
Позисторы имеют корпусное исполнение в виде круглых шайб, залитых эмалью, либо в виде керамических элементов, последовательно установленных в едином корпусе.
Символ позистора, используемый в схемах, На схеме позистор имеет следующее обозначение:
Встречаются позисторы с относительно малым ТКС от 0,5% до 0,7% на 1 К, изготовленные на базе кремния. Их сопротивление изменяется практически линейно. Подобные позисторы широко применяются в системах температурной стабилизации и в системах активного охлаждения силовых полупроводниковых ключей в разнообразных современных электронных приборах, особенно — в мощных. Эти компоненты легко вписываются в схемы и не занимают много места на платах.
Типичный позистор имеет форму керамического диска, иногда в одном корпусе устанавливаются последовательно несколько элементов, но чаще - в одиночном исполнении в защитном покрытии из эмали. Позисторы часто применяют в качестве предохранителей для защиты электрических схем от перегрузок по напряжению и току, а также в качестве термодатчиков и автостабилизирующих элементов, в силу их неприхотливости и физической устойчивости.
Пример позистора
Термисторы широко применяются в многочисленных областях электроники, особенно там, где важен точный контроль за температурным процессом. Это актуально для аппаратуры передачи данных, компьютерной техники, высокопроизводительных ЦПУ и промышленного оборудования высокой точности.
Один из простейших и весьма популярных примеров применения термистора – эффективное ограничение пускового тока. В момент подачи напряжения к блоку питания от сети, происходит чрезвычайно резкий заряд конденсатора значительной емкости, и в первичной цепи протекает большой зарядный ток, способный сжечь диодный мост.
Этот ток здесь и ограничивается термистором, то есть данный компонент схемы изменяет свое сопротивление в зависимости от проходящего по нему тока, поскольку в соответствии с законом Ома происходит его нагрев. Термистор после этого восстанавливает свое исходное сопротивление, через несколько минут, как только остынет до комнатной температуры.
Поскольку позистор является достаточно точным компонентом, его область применения в радиоэлектронике следующая:
Таким образом оба компонента могут контролировать температуру, но сопротивление РТС- терморезистора с нагревом стремится к бесконечности, тогда как сопротивление NTC-терморезистора при тех же условиях стремится к нулю. Чтобы произвести измерение температуры, необходим контроллер, который будет вычислять данные сопротивления компонентов.
Главным недостатком терморезистора – это несовпадение характеристик при изготовлении по одному и тому же техпроцессу. Компоненты в одинаковых условиях могут выдавать разные данные, поэтому при замене одного компонента на аналогичный требуется повторная калибровка. При длительной эксплуатации в условиях повышенной температуры NTC-терморезисторы со временем начинают деградировать и нуждаются в замене.
Максимальная температура эксплуатации датчиков – 300 градусов Цельсия.
Болометр (др.-греч. βολή — луч и μέτρον — мера) — тепловой приемник излучения, чаще всего оптического (а именно — ИК-диапазона). Был изобретен Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году.
Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии .
Болометр-паутина для измерения космического микроволнового фонового излучения . Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech .
Основной компонент болометра — очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачерненная для лучшего поглощения излучения. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и ее сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки ее включают в мостовую схему, которую балансируют при отсутствии засветки. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление.
Концептуальная схема болометра . Мощность, Р , из падающего сигнала поглощается и нагревает тепловой массы с теплоемкостью , С , и температуры, T . Термическая масса соединена с резервуаром постоянной температуры через связь с теплопроводностью , G . Повышение температуры Δ Т = Р / С , и измеряют с помощью резистивного термометра, что позволяет определить P . Внутренняя тепловая постоянная времени τ = C / G
Первый полупроводниковый болометр был создан компанией Bell в годы Второй мировой войны. Отличался простотой, надежностью и высокой чувствительностью. Был использован в ИК-спектроскопии и теплопеленгации.
Первые терморезистивные болометры успешно работали на искусственных спутниках Земли, но позже были вытеснены пироэлектрическими приемниками.
В качестве материалов для металлических болометров используют платину, никель, золото, для полупроводниковых — сплавы окислов никеля, кобальта, марганца.
Полупроводниковый болометр состоит из двух пленочных (толщиной до 10 мкм) термисторов. Один из термисторов, непосредственно подвергающийся облучению, является активным. Второй — компенсационный. Он экранирован от внешнего излучения и предназначен для компенсации изменений температуры окружающей среды. Оба термистора помещаются в общий герметичный корпус.
Чувствительность болометра улучшается с понижением температуры чувствительного элемента. В астрономии обычно используются болометры, охлаждаемые до температуры жидкого гелия.
Основные параметры болометров:
Болометр на горячих электронах (HEB) работает при криогенных температурах, обычно в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля . При этих очень низких температурах электронная система в металле слабо связана с фононной системой. Энергия, связанная с электронной системой, выводит ее из теплового равновесия с фононной системой, создавая горячие электроны. Фононы в металле обычно хорошо связаны с фононами подложки и действуют как тепловой резервуар. При описании характеристик HEB соответствующая теплоемкость - это электронная теплоемкость, а соответствующая теплопроводность - это электрон-фононная теплопроводность.
Если сопротивление поглощающего элемента зависит от температуры электронов, то сопротивление можно использовать как термометр электронной системы. Это справедливо как для полупроводниковых, так и для сверхпроводящих материалов при низкой температуре. Если поглощающий элемент не имеет сопротивления, зависящего от температуры, что типично для обычных (несверхпроводящих) металлов при очень низкой температуре, то для измерения температуры электронов можно использовать прилагаемый резистивный термометр. [2
В девяностые года 20-го века произошел настоящий технологических прорыв, разделивший тепловизоры на две большие группы – охлаждаемые и не охлаждаемые. Этому послужило создание болометрических матриц современного типа, на основе оксида ванадия и аморфного кремния. Разрешение со временем увеличилось с 16 х 16 до 640 х 480 элементов. Чувствительность достигла 0,1 градуса по Цельсию. Большая часть приборов на основе болометрических матриц стали носимыми за счет снижения веса до сотен грамм.
Этому послужили болометрические матрицы которые позволили отказаться от дорогостоящих систем охлаждения и по сей день применяемых в современных фотонных тепловизорах на базе антимонида индия.
Микроболометр состоит из массива пикселей , каждый из которых состоит из нескольких слоев. Схема поперечного сечения, показанная на рисунке 1, представляет собой обобщенный вид пикселя. У каждой компании, производящей микроболометры, есть своя уникальная процедура их изготовления, и они даже используют множество различных поглощающих материалов. В этом примере нижний слой состоит из кремниевой подложки и интегральной схемы считывания ( ROIC). Электрические контакты осаждаются, а затем выборочно вытравливаются. Отражатель, например, титановое зеркало, создается под материалом, поглощающим ИК-излучение. Поскольку часть света может проходить через поглощающий слой, рефлектор перенаправляет этот свет обратно, чтобы обеспечить максимально возможное поглощение, что позволяет генерировать более сильный сигнал. Затем наносится временный слой, чтобы позже в процессе можно было создать зазор для термической изоляции материала, поглощающего ИК-излучение, от ROIC. Затем наносится слой поглощающего материала, который избирательно травится, чтобы можно было создать окончательные контакты. Чтобы создать окончательную структуру, подобную мосту, показанную на рисунке 1, удаляемый слой удаляется, так что поглощающий материал находится примерно на 2 мкм над схемой считывания. Поскольку микроболометры не охлаждаются, Поглощающий материал должен быть термически изолирован от нижней части ROIC, и конструкция типа моста позволяет это осуществить. После создания массива пикселей микроболометр герметизируют, чтобы увеличить срок службы устройства. В некоторых случаях весь процесс изготовления выполняется без нарушения вакуума.
Микроболометр - это болометр в миниатюре , сжатый до минимально возможных размеров набор датчиков. Микроболометры не такие «мощные» как фотонные приемники и не дотягивают по наибольшей дистанции обнаружения как у охлаждаемых тепловизоров, но этот недостаток с лихвой компенсируется малым весом и удобством. Микроболометры уверенно заняли нишу приборов ближнего наблюдения и автоматического контроля, где важны малые габариты и низкое энергопотребление.
Сегодня размер такого датчика может составлять до 11 микрометров. Особенно восхищает и то, что и у этой микроскопической детали есть еще более мелкие элементы. Элементы микроболометра подвешены на высоте 2,5 мкм. Ширина ножек элемента составляет всего 1,5-1,8 мкм.
Чем меньше структурные элементы матрицы, тем более четкое изображение может выдавать ваш тепловизор. Поэтому в будущем основная технологическая гонка в сфере тепловидения будет перемещаться из макромира в сферу микромира.
Большинство микроболометров содержат резистор, чувствительный к температуре, что делает их пассивным электронным устройством. В 1994 году одна компания, Electro-Optic Sensor Design (EOSD), начала заниматься производством микроболометров, в которых использовался тонкопленочный транзистор (TFT), который представляет собой особый вид полевого транзистора тоесть активный микроболометр. Основным изменением в этих устройствах будет добавление электрода затвора. Хотя основные концепции устройств схожи, использование такой конструкции позволяет использовать преимущества TFT. Некоторые преимущества включают настройку сопротивления и энергии активации, а также уменьшение периодических шумов. По состоянию на 2004 год это устройство все еще проходило испытания и не использовалось в коммерческой инфракрасной визуализации.
Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяют его в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны: для этого диапазона болометр — самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звезд или Солнца, прошедший через спектрометр и разложенный на тысячи спектральных линий, энергия в каждой из которых очень мала.
Полупроводниковые болометры применяются, например, в системах ориентации, для дистанционного измерения температуры объектов, в датчиках обнаружения облучения военных машин (напр., лазерным лучом головок самонаведения) и для изготовления болометрических матриц, применяемых в тепловизорах.
Используется в системах ПОНАБ, для определения нагрева букс вагонов.
Для демонстрации некоторых проблем определения температуры по излучению был придуман куб Лесли, у которого стороны выполнены из разных материалов. Изображения куба Лесли справа демонстрируют разницу в излучательных и отражательных свойствах разных граней куба при одной и той же температуре куба.
Нагретый куб Лесли. Видно что черная и белая грани куба имеют высокий коэффициент излучения и тепловизор показывает что грани горячие. А полированная и матовая грани куба сделаны из материала с низким коэффициентом излучения но с высоким коэффициентом отражения, потому в тепловизоре они выглядят холодными и в них отражается тепло руки.Хотя болометры могут использоваться для измерения излучения любой частоты, для большинства диапазонов длин волн существуют другие методы обнаружения, которые более чувствительны. Для субмиллиметровых длин волн (от примерно 200 мкм до 1 мм длины волны, также известной как дальняя инфракрасная область или терагерц ) болометры являются одними из самых чувствительных доступных детекторов и поэтому используются в астрономии на этих длинах волн. Для достижения наилучшей чувствительности их необходимо охладить до доли градуса выше абсолютного нуля (обычно от 50 мК до 300 мК). Известные примеры болометров, используемых в субмиллиметровой астрономии, включают Космическую обсерваторию Гершеля ,Телескоп Джеймса Клерка Максвелла и стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (SOFIA).
Термин болометр также используется в физике элементарных частиц для обозначения нетрадиционного детектора частиц . Они используют тот же принцип, что описан выше. Болометры чувствительны не только к свету, но и ко всем видам энергии. Принцип работы аналогичен калориметру в термодинамике . Однако приближения, сверхнизкая температура и различное назначение устройства сильно различают его эксплуатационное использование. На жаргоне физики высоких энергий эти устройства не называются «калориметрами», поскольку этот термин уже используется для обозначения другого типа детектора (см. « Калориметр»).). Их использование в качестве детекторов частиц было предложено с начала 20 века, но первое регулярное, хотя и новаторское, использование было только в 1980-х годах из-за трудностей, связанных с охлаждением и работой системы при криогенных температурах . Их еще можно считать находящимися в стадии разработки.
Статью про терморезистор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое терморезистор, позистор, болометр, микроболометр и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база