Терморезистор и способ его изготовления

 

Изобретение может быть использовано при измерении температуры при различных технологических процессах. Цель изобретения - расширение рабочего температурного диапазона и повышение чувствительности. На диэлектрической подложке 2 размещен термочувствительный слой 1, выполненный в виде электропроводящей фазы мелкодисперсной структуры, расположенной в приповерхностном слое 3. Слой формируют термодиффузией фазы в подложку из стекла с поверхностной плотностью областей (8-9)10 см и фактором заполнения 0,7-0,75. Термодиффузию проводят на воздухе при 853 - 873 К в течение 10-20 мин. Контакты 5 к слою 1 представляют собой пленки серебра, получаемые вжиганием серебряной пасты в подложку. Изменение температуры приводит к изменению по величине расстояний между островками 4 в слое 1 и сопротивления терморезистора . 2 с., 2 з.п. ф-лы. 3 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4 А1 (19) (11) (5D 4 G 01 К 7/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3880772/24-10 (22) 04.04.85 (46) 15.01.87. Бюл. № 2 (71) Институт физики АН УССР (72) П.Г.Борзяк, Ю.А.Кулюпин, Л.А.Рудаковская и P.Ä.Ôåäoðoâè÷ (53) 536.531 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 887945, кл. G 01 К 7/24, 07.12.81.

Патент США ¹- 4222025, кл. 338-25, 05.10.78. (54) ТЕРМОРЕЗИСТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано при измерении температуры при различных технологических процессах.

Цель изобретения — расширение рабочего температурного диапазона и повышение чувствительности. На диэлектрической подложке 2 размещен термочувствительный слой 1, выполненный в виде электропроводящей фазы мелкодисперсной структуры, расположенной в приповерхностном слое 3. Слой формируют термодиффузией фазы в подложку из стекла с поверхностной плот-2 ностью областей (8-9)>10 см и фактором заполнения 0,7-0,75. Термодиффузию проводят на воздухе при 853

873 К в течение 10-20 мин. Контакты

5 к слою 1 представляют собой пленки серебра, получаемые вжиганием серебряной пасты в подложку. Изменение температуры приводит к изменению по величине расстояний между островками 4 в слое 1 и сопротивления терморезистора. 2 с., 2 з.п. ф-лы. 3 ил.

1283549

Изобретение относится к разработке термочувствительного элемента и способа его изготовления, а конкретно к разработке терморезистора, работающего в условиях термоциклирования в широкой температурной области и в исследованиях, когда приходится использовать широкий температурный интервал,и может найти применение при измерении температуры-при различных технологических процессах.

Целью изобретения является расширение рабочего температурного диапазона в области криогенных температур и повышение чувствительности в расширенном температурном интервале, а также обеспечение стабильности характеристик и упрощение технологии изготовления терморезистора.

На фиг. 1 схематически изображен терморезистор, внешний вид; на фиг.2 микрофотография поверхностй термочувствительного слоя терморезистора, полученного методом термодиффузии из сплава 52% Ре, 48 Со; на фиг. 3 — зависимость сопротивления

I?g R терморезистора от обратной температуры 1/Т.

Терморезистор (фиг. 1) представ— ляет собой термочувствительный слой

1, сформированный в стеклянной подложке 2. Термочувствительный слой 1 выполнен в виде расположенных в приповерхностном слое 3 статистически однородных по размерам областей 4 элек- 35 тропроводящей. фазы мелкодисперсной структуры с поверхностной плотностью островков (8-9) ° 10 см и фактором

9 -2 заполнения 0,70-0,75, который соответствует размерам островков 0,1 — 40

0,3 мкм и межостровковым расстояниям около (6-8) 10 мкм. Структура поверхности термочувствительного слоя исследовалась на растровом электронном микроскопе TSM-35 (фиг. 2). Тол- 45 щина термочувствительного слоя 1 составляет 5-20 мкм. В качестве контакТоВ 5 к термочувствительному слою 1 служат пленки серебра, получаемые вжиганием серебряной пасты в подлож- 50 ку по стандартной технологии. Термочувствительный слой 1 терморезистора защищен от внешних воздействий фриттой 6 из легкоплавкого стекла.

Терморезистор работает следующим образом.

Изменение температуры приводит к изменению поверхностного сопротивления термочувствительного слоя 1,сформированного в приповерхностном слое

3 стеклянной подложки 2. Структура термочувствительного слоя, выполненного в виде статистически однородных по размерам островков 4 металлической электропроводящей фазы с поверхностной плотностью островков (8-9) 10 см и очень высоким фактором заполнения

0,70-0,75, обеспечивает туннельный механизм проводимости в данной системе. Изменение температуры в широком температурном диапазоне приводит к изменению по величине межостровковых расстояний в термочувствительном слое. При понижении температуры эти расстояния увеличиваются, приводя к уменьшению, прозрачности барьера и, следовательно, к увеличению сопротивления терморезистора.

Повышение температуры приводит к уменьшению межостровковых расстояний и соответственно к понижению сопротивления термочувствительного слоя в связи с увеличением прозрачности барьера.

Предлагаемый механизм обеспечивает высокий отрицательный TKCoLg „ =

18-20 о = 0 8 в области темпеGook ратур 20 — 600 К и, следовательно, обеспечивает более высокую по сравнению с известными терморезисторами чувствительность в расширенном рабочем диапазоне. Из приведенной на фиг. 3 для состава Ее Со зависимости сопротивления терморезистора от обратной температуры видно, что значение полного сопротивления терморезистора в области температур 20—

600 К изменяется от 10 до 10 Ом, что

I3 свидетельствует о большом, значении при значениях сопротивления терморезистора, позволяющих проводить измерения в указанном температурном диапазоне.

Для получения термочувствительных слоев с мелкодисперсной островковой структурой сформированных в диэлектрической матрице использован метод термодиффузии. Для проведения процесса термодиффузии на пластину из стекла помещают источник электропроводящей фазы, содержащий железокобальтовый сплав. Этими источниками могут быть бруски, фольга и др.

Эмпирически установлено, что высокая чувствительность сС. терморезистора на основе сплава Fe „ Со< „ o6ec3 12 печивается в интервале 0,1 х 0,7.

При выходе за указанные пределы чувствительность терморезистора существенно ухудшается.

Стеклянную пластинку с источником электропроводящей фазы отжигают на воздухе при температуре размягчения стекла в течение определенного времени. При выборе подложки из баросиликатного стекла термодиффузию проводят при 853-873 К в течение 10

20 мин. При указанной температуре происходит взаимная термодиффузия металла и материала подложки, на поверхности которой имеется множество центров зародышеобразования. Последние являются центрами накопления диффундируемого металла, в результате чего происходит неравномерное про— никновение металлической фазы в слой диэлектрика. Вследствие локализации и накопления металлической фазы на центрах зародышеобразования происходит образование островковой мелкодисперсной структуры, расположенной в диэлектрической матрице. Поскольку термочувствительный слой формируется на воздухе, то параллельно с формированием происходит и его стабилизация, в результате происходящих в процессе термодиффузии окислительных процессов. Длительность отжига контролируют непосредственно по сопротивлению термочувствительного слоя терморезистора. Для этого был отработан временной и температурный режим, позволяющий получать терморезисторы с минимальным рабочим сопротивлением. При выборе температуры отжига 853 — 873 К отжиг проводят в те— чение 10-20 мин. Уменьшение или увеличение времени отжига приводит к получению высокоомных терморезисторов вследствие недостаточности диффундируемой металлической фазы в диэлектрической матрице или черезмерного окисления металлической фазы соответственно.

Важным моментом при проведении термодиффузии является обеспечение контакта по всей поверхности между источником электропроводящей фазы и подложкой. Контакт соприкасающихся поверхностей источника электропроводящей фазы с подложкой обеспечивают сжатием с усилием (10-50) Н/см

В предлагаемом термодиффузионном способе изготовления терморезисторов

83549 геометрию термочувствительного слоя задают либо конфигурацией поверхности источника электропроводящей фазы, либо конфигурацией поверхности, 5 контактирующей с источником, части подложки, что позволяет получать терморезисторы различной формы.

Пример. В качестве диэлектрической подложки, на которой формировался термочувствительный слой предлагаемого терморезистора, использовалась стеклянная плоскопараллельная пластинка (стекло марки КГ 25116) толщиной 0,5 мм. На стеклянную пластинку размером 3 10 мм сверху укладывалась пластина стали, содержащая сплав Ре Со з, толщиной 0,2 мм и размером 2 10 мм. Веса пластинки достаточно, чтобы поверхности источника

20 электропроводящей фазы и подложки прижимались с усилием 20 Н/см . 3ar готовка помещалась в муфельную печь, где производилась термодиффузия на воздухе при T=888 К в течение 15 мин.

Толщина полученного термочувствительного слоя составляла 12 мкм. Электроды на поверхности термочувствительного слоя изготавливались вжиганием серебряной пасты по обычной технологии. Расстояние между электродами составляло 0,2 мм. Затем для обеспечения герметизации поверхность терморезистора покрывалась суспензией из фритты легкоплавкого стекла и снова прогревалась в течение 10-15 мин до 623 †6 К (темпе— ратуры плавления фритты). Сопротивление терморезистора при комнатной температуре составляло 10 0 Ом.

40 Изменяя температуру вплоть до

10 К строят зависимость 1g R=f (— )

У

Т (фиг. 3) . Используя кривую, представленную на фиг. 3, определяют чув45 ствительность терморезистора в точках температурного интервала. С по-нижением температуры от 500 до 20 К для данного состава значение чувствительности растет от 0,8Е/град

-ъО до 18X/ãðàä.

Формула изобретения

1. Терморезистор, содержащий диэлектрическую подложку и термочувствительный слой с контактами, включающий электропроводящую фазу на основе металлов, о т л и ч а ю щ и й1283549

2. Способ изготовления терморезистора, заключающийся в формирова— нии на диэлектрической подложке термочувствительного слоя с электропроводящей фазой на основе металлов и контактов к нему, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расширения рабочего температурного диапазона и повышения чувствительности, термочувствительный слой формируют

20

t0O0O! уР

rG!

П 2d J0 40 50 6d люо .-r фию У

Составитель В.Агапова

Редактор Н.Слободяник Техред Л.Сердюкова Корректор С.Шекмар

Заказ 7427/37 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно †полиграфическ предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 с я тем, что, с целью расширения рабочего температурного диапазона и повышения чувствительности, термочувствительный слой выполнен в виде электропроводящей фазы мелкодисперсной 5 структуры, расположенной в приповерхностном слое диэлектрической подложки, выполненной из стекла с поверхностной плотностью областей 8

9 10 см и фактором заполнения 0,7 — 10

0,75. термодиффузией электропроводящей фазы в стеклянную подложку из контактирующего с ней источника электропро— водящей фазы в виде сплава Fe Ño„ где 0,1 х 0,7, причем термодиффузию проводят на воздухе при температуре размягчения стекла, а длительность процесса термодиффузии определяют по значению сопротивления образующегося термочувствительного слоя.

3. Способ по п. 2, о т л и ч а юшийся тем, что термодиффузию проводят при 853-873 К в течение 1020 мин.

4. Способ по п. 2, о т л и ч аю шийся тем, что геометрию термочувствительного слоя задают конфигурацией поверхности источника электропроводящей фазы, контактирующей с подложкой, или конфигурацией части поверхности подложки, контактирующей с указанным источником.