Jste zde

Měření teploty - polovodičové odporové senzory teploty

Redakce HW serveru, 19. Srpen 2004 - 0:00

NTC termistory, PTC termistory a monokrystalické křemíkové senzory mají široké využití v praxi.

Cílem článku je obeznámit vás s jejich základními principy, vlastnostmi a použitím.

Úvod

U polovodičových senzorů teploty se podobně jako u kovových využívá teplotní závislosti odporu na teplotě. Na rozdíl od kovů je ale princip vodivosti polovodičů odlišný, a proto jsou jiné i vlastnosti těchto senzorů. Vedení proudu v kovech zajišťují valenční elektrony, které jsou k jádru vázány velice slabě a vytváří tzv. elektronový plyn. S rostoucí teplotou se zvyšuje amplituda kmitů jednotlivých atomů, které tak znesnadňují elektronům průchod a zvyšují elektrický odpor materiálu. U polovodičů je tomu ovšem jinak. Při teplotě absolutní nuly jsou všechny elektrony pevně vázány ke svým jádrům a materiál nemůže vést proud. Elektronům je třeba dodat určitou energii k tomu, aby „přeskočily“ přes tzv. zakázaný pás do pásu vodivostního a mohly se účastnit vedení proudu. Touto energií může být např. energie elektromagnetického pole nebo energie tepelná. S rostoucí teplotou tedy bude koncentrace nosičů náboje růst a elektrický odpor materiálu se bude snižovat. Zatímco se tento jev snažíme u klasických polovodičových součástek potlačit, u termistorů se ho naopak snažíme vhodnou technologií a složením zvýraznit.

Koncentrace nosičů náboje je závislá na teplotě dle přibližného vztahu:



kde DE je šíře mezery mezi energetickými hladinami a k je Boltzmannova konstanta (k=1,38·10 -23 J/K).

Polovodičové odporové senzory teploty dělíme na:

  • Termistory
    • NTC (negastory)
    • PTC (pozistory)
  • Monokrystalické odporové senzory
     

Termistory NTC (negastory)

Již podle názvu mají termistory NTC ( Negative Temperature Coefficient ) záporný teplotní součinitel odporu, což odpovídá výše zmíněnému jevu. S rostoucí teplotou se zvyšuje koncentrace nosičů náboje a elektrický odpor klesá. Polykrystalické NTC termistory se vyrábí práškovou technologií spékáním oxidů Fe2O3, TiO2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO apod. Kromě termistorů pro běžné teplotní rozsahy -50 °C až 150 °C se vyrábí i speciální termistory pro nízké (od cca 4 K) a vysoké teploty (zhruba do 1000 °C).
 

Závislost odporu termistoru na teplotě je silně nelineární a lze ji vyjádřit přibližným vztahem


kde R [Ω] je odpor termistoru, T [K] je teplota, B [K] je teplotní konstanta, která závisí na materiálu a je úměrná aktivační energii, A [Ω] je konstanta závislá na geometrickém tvaru a materiálu senzoru.

Konstanta A se v katalozích neuvádí, termistor bývá charakterizován svou citlivostí B a odporem R0 při teplotě T0. Obvykle se uvádí odpor při teplotě 25 °C. Vztah je proto vhodné přepsat do tvaru



kde R0 [Ω] je odpor při teplotě T0 [K] a R [Ω] je odpor termistoru při teplotě T [K]. Konstantu B, jejíž hodnota se pohybuje v rozsahu B Î <1500, 7000> K, lze určit buď z katalogu, nebo měřením. Změřením odporu termistoru při dvou různých teplotách ji lze vyhodnotit ze vztahu



kde R1 [Ω] je odpor termistoru při teplotě T1[K] a podobně R2 [Ω] je odpor při teplotě T2[K].

Konstanta B, která není tak úplně konstantou, neboť je teplotně závislá, se vyhodnotí z měření, která dle doporučení DIN provádíme při teplotách T1=291,15 K (18 °C) a T2=358,15 K (85 °C).
Hodnoty odporu R0 se pohybují v rozsahu 1Ω < R0 < 1 MΩ .
Mění-li se teplota pouze v malém rozmezí v okolí pracovní teploty T0, můžeme charakteristiku NTC termistoru linearizovat podle vztahu:


kde a [K-1] je teplotní součinitel odporu. Vzhledem k silně nelineárnímu průběhu závislosti NTC termistoru na teplotě jsou možnosti použití tohoto univerzálního vztahu omezené.

Pro přesnější vyhodnocení teplotní závislosti termistoru lze naopak použít rovnici



Tato aproximace umožňuje měřit teplotu v rozsahu -50 °C až 150 °C s chybou ± 0,15 K, v rozsahu 0 °C až 100 °C pak s chybou ± 0,1 K. Konstanty a, b, c se určují při teplotách 25 °C, 40 °C a 70 °C.

Na následujícím obrázku můžete vidět porovnání teplotních závislostí kovových a polovodičových odporových senzorů teploty.


Teplotní závislosti odporových senzorů teploty (Pt, Ni, NTC)

Termistory NTC se vyrábějí práškovou, tenkovrstvou nebo tlustovrstvou technologií. V prvém případě se senzory vyrábí ze směsi oxidů kovů (např. Fe2O3+TiO2, Mno+CoO apod.) a vylisované se pak zpevňují slinováním za vysokých teplot. Příkladem tenkovrstvého NTC senzoru může být negastor SiC pro rozsah teplot -100 °C až +450 °C, vyráběný vysokofrekvenčním napařováním na substrát Al2O3 s B Î <1600, 3400> a základní hodnotou odporu při teplotě 25 °C od 10 kΩ do 1 MΩ , nebo miniaturní negastor z polykrystalického křemíku dopovaného bórem. Tlustovrstvé senzory vznikají nanášením speciálních past a následným vypálením. U cermetových NTC termistorových past tvoří funkční materiál polovodičová polykrystalická keramika na bázi přesně řízených směsí některých kovových oxidů (Mn, Co, Ni, Cu,  Zn, ...). Jako nosný substrát NTC cermetových vrstev se obvykle používá korundová keramika (96% Al2O3). Mimo cermetových existují i polymerní NTC pasty na bázi uhlíku.

Pro účely měření se nejčastěji používají perličkové termistory ve skleněném držáku s průměrem perličky 0,2 až 3 mm.

Základní vlastnosti termistorů NTC

  • Teplotní součinitel odporu je záporný a zhruba o řád vyšší než u kovů (obvykle nabývá hodnot -0,03 K-1 až -0,06 K-1).
  • Běžný rozsah teplot je -50 °C až 150 °C (méně často -100 °C až 300 °C, výjimečně do 400 °C)
  • Široké rozmezí hodnot odporu (od 0,1 Ω až několik MΩ ), oproti platinovým senzorům mají obvykle mnohem větší odpor a větší citlivost, což přináší méně problémů v souvislosti s teplotně závislými přívody.
  • Velká citlivost, malá hmotnost a rozměry umožňují měřit i velmi rychlé teplotní změny.
  • V porovnání s platinovými senzory jsou NTC termistory méně stabilní a časově nestálé.
  • Zásadní nevýhodou je značná nelinearita.

NTC termistory se dobře uplatní v méně náročných aplikacích, pro bodové měření a pro měření malých nebo rychlých změn teploty. Jsou snadno dostupné a obvykle mají i příznivou cenu (termistory NTC se základní přesností stojí kolem dvaceti Kč). K dostání jsou ovšem i termistory s vysokou přesností, širokým rozsahem teplot a dobrou dlouhodobou stabilitou.
 

Termistory PTC (pozistory)

Termistory PTC ( positive temperature coefficient ) mají na rozdíl od NTC termistorů kladný teplotní koeficient. Jak je patrné z následujícího grafu, vykazují termistory PTC nelineární závislost odporu na teplotě. Jejich odpor s rostoucí teplotou nejprve mírně klesá a po překročení Curieovy teploty strmě roste. Po nárůstu zhruba o tři řády hodnota odporu opět mírně klesá (s touto částí charakteristiky se však již obvykle nepracuje). V grafu je naznačeno několik důležitých údajů – odpor termistoru R0 při teplotě 25 °C, minimální odpor Rmin, teplota přechodu TTR a teplotní koeficient a. Ten se mění od záporných po kladné hodnoty a svého kladného maxima dosahuje několik málo stupňů za bodem zlomu (TTR). Teplota přechodu TTR úzce souvisí s Curieovou teplotou, kterou je však těžké přesně stanovit. Proto bývá obvykle definována jako teplota, při které je odpor termistoru v určitém poměru k minimální hodnotě odporu Rmin nebo k R0. Například na následujícím obrázku je definována jako teplota při které je R=2Rmin.


Závislost odporu PTC termistorů na teplotě

PTC termistory se vyrábí z polykrystalické keramiky, např. z titaničitanu barnatého (BaTiO3), sintrováním přesně řízených práškových směsí obvykle do tvaru malého disku. Referenční teplota PTC termistorů (teplota přechodu) závisí na chemickém složení a obvykle se používá teplota v rozsahu 60 až 180 °C. Použití PTC termistorů plyne z tvaru jejich charakteristiky. Lze využít jejich velmi vysokého teplotního součinitele odporu a pro měření teploty ve velmi úzkém teplotním pásmu nebo lze PTC termistory použít jako dvoustavové senzory například pro signalizaci překročení určité teploty. Většina aplikací však využívá toho, že se termistor průchodem proudu sám ohřívá.

Příklady použití PTC termistorů:

  • Vratné pojistky (resettable fuses) – protéká-li termistorem příliš velký proud, který způsobí ohřátí součástky natolik, že dojde k překročení teploty TTR, její odpor strmě narůstá. Obvod musí být navržen tak, aby se při povolených dlouhodobých proudech vznikající teplo rozptýlilo do okolí.
    Funkce vratné pojistky plyne z VA charakteristiky termistoru (viz obrázek níže). Oblast A reprezentuje pracovní oblast, povolený rozsah proudu. Překročí-li proud hodnotu I max, termistor se zahřeje natolik, že dojde prudkému nárůstu odporu a tím i k poklesu proudu.
  • Zapojení využívající dynamických vlastností termistoru. V závislosti na velikosti procházejícího proudu a tepelných vlastnostech termistoru lze dosáhnout různých zpoždění v obvodu se zapojeným termistorem. Toho lze využít např. pro rozběh motoru, kdy je termistor zapojen do větve pomocného startovacího vinutí.
  • Termostat, dvoustavové senzory.
  • Měření průtoku nebo hladiny.
     
     

Monokrystalické senzory

Polovodičové monokrystalické senzory teploty lze vyrobit z křemíku, germania nebo india, v praxi se však setkáváme pouze se senzory křemíkovými.

Monokrystalické Si senzory

Pro výrobu křemíkových senzorů se používá nevlastního polovodiče typu N, tedy s dominantní elektronovou vodivostí. Pohyblivost volných nosičů náboje v krystalové mřížce křemíku závisí na teplotě a na počtu příměsí v jednotce objemu. S rostoucí teplotou dochází vlivem rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče ke zmenšování pohyblivosti těchto nosičů, v důsledku čehož narůstá rezistivita, podobně jako je tomu u kovů. Monokrystalické Si senzory teploty tedy mají kladný teplotní součinitel odporu podobně jako PTC termistory, princip jejich vodivosti je však odlišný. Křemíkové senzory se obvykle používají pro rozsah teplot –50 až 150 °C.

Základní vlastnosti monokrystalických Si senzorů:

  • Teplotní součinitel odporu je téměř konstantní v celém rozsahu teplot a jeho střední hodnota se pohybuje kolem 0,01  K-1 (platinové senzory: 0,004 K-1, NTC: cca -0,03 až -0,06 K-1).
  • Dlouhodobá stabilita. Teplotní drift kolem 0,2 K po 10000 hodinách nepřetržitého provozu při maximální provozní teplotě.
  • Linearita je lepší než u NTC termistorů, ale horší než u platinových senzorů, nelinearitu lze však vhodnými metodami úspěšně korigovat.
  • Teplotní rozsah je obvykle -55 až 150 °C, k dostání jsou však běžně i senzory s horní teplotní hranicí 300 °C.
  • Referenční hodnota odporu při teplotě 25 °C je obvykle 1000 nebo 2000 Ω.

Monokrystalické křemíkové senzory jsou běžně k dostání, a to za přijatelnou cenu, která se pohybuje kolem dvaceti až třiceti korun. V řadě aplikací mohou díky svým vlastnostem nahradit platinová čidla, je však nutno počítat s linearizačními obvody.Typickými představiteli křemíkových monokrystalických senzorů jsou čidla řad KT a KTY. Na následujícím obrázku je vyobrazena závislost odporu na teplotě senzorů KTY81-1 a KTY83 (KTY85).


Závislost odporu křemíkových monokrystalických senzorů KTY81- 1 a KTY83 na teplotě

Závislost odporu senzorů KTY83/85 na teplotě lze aproximovat vztahem :



kde A=7,635·10-3 K-1, B=1,731·10-5 K-2, Tref=25 ° C. Senzor KTY85 se od senzoru KTY83 liší teplotním rozsahem a typem pouzdra.

Pro senzory KTY81/82/84 platí následující aproximační vztah:



přičemž pro senzor KTY81-1 nabývají uvedené konstanty následujících hodnot: A=7,874·10-3 K-1, B=1,874·10-5 K-2, C=3,42·10-8 K-D (pro T < TI je C=0), D=3,7, TI=100 °C a Tref=25 °C.

Rref je referenční hodnota odporu při teplotě Tref a u všech tří zmíněných senzorů (KTY81-1/83/85) je Rref=1000 Ω . Více informací o výše uvedených senzorech můžete získat v [5]. U vedené vztahy mohou být použity pro generování tabulky hodnot, kterou je možné nahrát do paměti ROM a v případě práce s mikrokontrolérem využít spolu s interpolačními algoritmy k přesnému stanovení teploty. V případě, že v aplikaci nevyužíváme mikrokontroléru, je možné provést linearizaci zapojením paralelního nebo sériového rezistoru (více v některém z následujících dílů).

Závěr

Do skupiny polovodičových odporových senzorů teploty řadíme NTC a PTC termistory a monokrystalické křemíkové senzory teploty.

NTC termistory vykazují značně nelineární závislost odporu na teplotě a mají záporný teplotní koeficient. Jedná se o prvky s všestranným použitím nacházející uplatnění v řadě aplikací. S výhodou lze kromě R-T charakteristiky využít též V-A charakteristiku termistoru. V takovém případě se využívá vlastního ohřevu termistoru, a to obvykle v aplikacích, kde se mění podmínky vnějšího prostředí nebo elektrické parametry obvodu. Díky značně nelineární charakteristice lze NTC termistory využít též pro generování definovaného časového zpoždění.

PTC termistory mají značně nelineární charakteristiku s převážně kladným teplotním koeficientem. Jejich použití je obecně omezenější než u NTC termistorů, k měření teploty se prakticky nepoužívají. Nacházejí uplatnění zejména jako dvoustavové detektory nebo se využívá jejich V-A charakteristiky spolu s vlastním ohřevem např. pro měření proudění nebo průtoku.

Monokrystalické Si senzory jsou díky dlouhodobé stabilitě a nepříliš velké nelinearitě vhodné k měření běžných teplot jako náhrada dražších platinových senzorů. Vzhledem k vlastnostem křemíku lze tyto senzory obvykle použít pro měření teplot maximálně do 125 až 175 °C (výjimečně vyšších – např. KTY84 lze použít až do 300 °C).

Vít Špringl
v.springl@ cbox.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: