Тонкопленочный термометр сопротивления

 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам измерения температуры - термометрам сопротивления. Тонкопленочный термометр сопротивления содержит два параллельно включенных резистора. Один из них термозависимый на основе никеля. Второй - термонезависимый. Отношение сопротивлений термозависимого резистора к термонезависимому находится в пределах 0,22-0,4 при 0^oC. ТКС термозависимого резистора равен (5,8-6,4) 10^-3 1/^o С при 100^oC. Такое выполнение термометра позволяет создать тонкопленочный термопреобразователь сопротивления с универсальной номинальной статической характеристикой. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения, а именно, к устройствам измерения температуры - термометрам сопротивления.

Наиболее широко применяемыми из известных конструкций являются медные, платиновые и никелевые термометры сопротивления, чувствительный элемент которых выполнен из медной, платиновой или никелевой проволоки (см. Ф.Линевег. Измерение температур в технике.) либо в виде тонкопленочного медного, никелевого или платинового терморезистора (Пат. ФРГ N 2908919 по МКИ G 01 r 7/16 от 11.09.80, пат. США N 4068205 по НКИ 338-25 от 10.01.78).

Этим термометрам, несмотря на их широкое распространение присущи следующие серьезные недостатки; нелинейность характеристик в широком диапазоне температур и высокая стоимость (платиновые и никелевые). Кроме того, в ряде случаев общепромышленные датчики температуры должны иметь более высокую точность и возможности по согласованию их номинальной статической характеристики (HCX) с различными вторичными показывающими и регистрирующими приборами.

Задачи по повышению точности измерений температуры в широком диапазоне и созданию чувствительных элементов термометров сопротивления с универсальными характеристиками привели к появлению технических решений, позволяющих частично устранить перечисленные выше недостатки.

Для этого чувствительный элемент термометра сопротивления объединяет в себе пару терморезисторов с различной зависимостью температурного коэффициента сопротивления (ТКС) от температуры.

Известно устройство для измерения температуры (а.с.СССР N 570799 по МКИ G 01 K 7/18 от 30.08.77), в котором с целью повышения точности измерения, чувствительный элемент выполнен в виде двух терморезисторов с одинаковыми характеристиками теплоотдачи и разными ТКС.

Различие вида зависимости ТКС от температуры использовано в другой конструкции термометра сопротивления (а.с. СССР N 254823 по МКИ G 01 K 7/16 от 07.10.69), где также для повышения точности измерения температуры в широком диапазоне от минус 270 до плюс 100^oC, чувствительный элемент термометра выполнен из двух последовательно соединенных термометров. Один из них выполнен из материала с зависящим от температуры ТКС, например графита или меди, а другой из материала с постоянным ТКС в диапазоне от 0 до 100^oC и уменьшающимся при понижении температуры от 0^oC, например из манганина.

Известен также термометр сопротивления (а.с. N 450082 по МКИ G 01 K 7/16 от 15.11.74), содержащий платиновый и вольфрамовый терморезисторы, образующие чувствительный элемент и выводы, причем к месту соединения терморезисторов присоединен дополнительный токовывод, а сопротивления платинового и вольфрамового терморезисторов выбраны в отношении 1:11,2.

Термометры из платины и вольфрама, образующие чувствительный элемент, имеют нелинейную зависимость сопротивления от температуры. Так как нелинейности указанных терморезисторов противоположны по знаку, то термометр сопротивления с чувствительным элементом, состоящим из последовательно соединенных вольфрамового и платинового терморезистора при соответствующем выборе отношения их сопротивлений будет иметь линейную зависимость сопротивления от температуры.

Наиболее близким по конструктивному исполнению является тонкопленочный термопреобразователь сопротивления (патент США N 4464646, НКИ 338-25 1984 г. ) с регулируемым ТКС и представляющий собой подложку с сформированными на ее поверхности резисторами, один из которых - термозависимый, состоит из двух слоев танталового и расположенного на нем никелевого слоя (или только никелевого слоя), а два других резистора термонезависимые на основе тантала и подключены к первому параллельно, последовательно или параллельно-последовательно. ТКС сопротивления тонкопленочного преобразования, содержащего указанные резисторы, регулируется и может иметь наперед заданное значение.

Однако описанные выше термометры сопротивления имеют большой общий недостаток - их HCX не совпадают со стандартными, а именно, с HCX, используемыми в соответствии с отечественными и зарубежными (или международными) стандартами медных и платиновых термометров сопротивления. Так, описанное выше изобретение (патент США N 4464646) не позволяет получить стандартные характеристики медных или платиновых термопреобразователей сопротивления, так как в данном случае решалась задача измерения ТКС в одной точке при 100^oC, а не всей функции.

При этом не учитывалось то обстоятельство, что, как правило, в каждой точке функции R(T) TKC зависит от температуры, то есть является величиной переменной, и только для линейной функции R(T) TKC является величиной постоянной. Значение TKC (т.е. наклон прямой) будет изменяться в зависимости от значений ТКС термозависимого резистора и отношения резисторов. Эти величины взаимосвязаны.

На практике очень широко используются термометры сопротивления со стандартными HCX - медные или платиновые, имеющие соответственно градуировку со следующими отечественными и международными обозначениями 50П и 100П (Pt50 и Pt100) для платиновых термометров.

Кроме того, за рубежом, например, в ФРГ используются никелевые термометры сопротивления с HCX, соответствующий стандарту D1N43760. Поскольку первичные датчики температуры применяются не самостоятельно, а с разнообразными вторичными приборами, служащими для регистрации температуры, либо для регулирования, то наряду со стандартной HCX первичные датчики температуры в некоторых случаях должны иметь, как линейную, так и нелинейную (изменяющуюся по определенному закону) HCX.

Как правило, линеаризация HCX датчиков температуры связана с усложнением электрической схемы промежуточного вторичного электронного преобразователя (см. например, а.с. N 481794 по МКИ G 01 K 7/16 "Способ линеаризации температурной зависимости сопротивления чувствительного элемента термометра").

Таким образом, обеспечение универсальности HCX терморезистора, составляющего чувствительный элемент термометра сопротивления, является его большим преимуществом.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание тонкопленочного термопреобразователя сопротивления с универсальной номинальной статической характеристикой.

Для этого в термометре сопротивления, содержащем два параллельно включенных резистора, один из которых термозависимый и выполненный на основе никеля, а второй термозависимый, отношение сопротивлений термозависимого резистора к термонезависимому находится в пределах 0,22 - 0,4 при 0^oC, а ТКС термозависимого резистора равен (5,8 - 6,4) 10^-31/^oC при 100^oC.

Выбор указанных величин обусловлен следующими соображениями.

При изменении отношения сопротивления никелевого терморезистора к сопротивлению подстроечного (термонезависимого) резистора от 0 до 0,4 (при 0^oC) зависимость эквивалентного сопротивления от температуры R(T) превратится из параболической, с вершиной параболы, направленной вниз, в другую параболическую, с вершиной параболы направленной вверх. В промежутке, при определенном значении отношения сопротивления никелевого терморезистора к термонезависимому, функция R(T) является линейной.

Конкретные значения отношений сопротивлений, при которых функция приобретает требуемый вид HCX, могут быть определены с учетом следующих предпосылок.

Так как функция R(T) является параболой второго порядка, производная по температуре от этой функции является линейной функцией от температуры и отражает по существу изменение ТКС эквивалентного резистора от воздействия температуры.

Относительное изменение ТКС от температуры, или температурный коэффициент ТКС имеет положительное значение, когда функция R(T) вогнутая, отрицательное значение, когда функция выпуклая, и равно нулю, когда функция линейная.

И, кроме того, каждому конкретному значению температурного коэффициента ТКС, характеризующему угол наклона зависимости ТКС от температуры, соответствует определенный вид функции R(T).

Вторым важным условием для получения универсальной характеристики является соблюдение требований к величине ТКС никелевого терморезистора, при температуре 100^oC.

При значении ТКС для тонкопленочного никелевого терморезистора, измеренного при 100^oC, равном (5,8 - 6,4) 10^-31/^oC (толщина пленки никеля при этом равна 2 мкм), величина ТКС эквивалентного сопротивления, при которой функция R(T) станет линейной, будет равна 4,28 (4,26) 10^-31/^oC при отношении сопротивлений резисторов при 0^oC, находящимся в интервале 0,22 - 0,3, что соответствует HCX медных термопреобразователей сопротивления.

Отношение сопротивлений никелевого терморезистора и подстроечного резистора при 0^oC, при котором повторится характеристика платинового термопреобразователя, находится в пределах 0,34 - 0,4. Гарантированный диапазон рабочих температур для всех HCX находится в пределах от минус 70^oC до плюс 300^oC.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлен тонкопленочный термометр сопротивления, на фиг.2 - электрическая схема соединений. Термометр содержит термозависимый резистор 1 на основе никеля (R_Ni), параллельно подключенный к нему термонезависимый резистор 2 (Rn), а также дополнительный термонезависимый резистор 3 (Rд), который может быть подключен последовательно в случае надобности.

Конкретное значение величины ТКС эквивалентного сопротивления, при котором характеристика R(T) будет линейной может быть определено из выражения где α_Ni(O) - ТКС никелевого терморезистора в окрестности нуля; температурный коэффициент ТКС никелевого терморезистора.

где α_Ni(T₁); α_Ni(T₂) - ТКС никелевого терморезистора при температуре T₁ и T₂; ΔT = T₂-T₁ - разность температур.

где T - текущее значение температуры ^oC.

Величина отношения при котором ТКС эквивалентного терморезистора не зависит от температуры, определяется из выражения

где R_Ni(0) - сопротивление никелевого терморезистора при 0^oC;
R_n(0) - сопротивление подстроечного резистора при 0^oC;
α_n(O) - ТКС подстроечного резистора в окрестности 0^oC.

Отношение сопротивлений, при котором реализуется HCX платиновых термопреобразователей сопротивления, определяется из выражения

где α_экв(O) - ТКС эквивалентного терморезистора в окрестности 0^oC, равный 3,91 10^-31/^oC;
α_пл - температурный коэффициент ТКС платинового терморезистора, равный минус 0,146 10^-31/^oC.

Сопротивление никелевого терморезистора, определяется из выражения

где (R_н)_экв - заданное значение номинального сопротивления эквивалентного терморезистора.

Корректировка статической характеристики термометра сопротивления (поворот или смещение по оси ординат) может осуществляться за счет подключения последовательно к эквивалентному резистору еще одного термонезависимого резистора (фиг. 1 и 2).

ТКС суммарного резистора определяется из выражения

где α_экв - ТКС эквивалентного сопротивления параллельно включенных резисторов - никелевого и подстроечного;
R_экв - эквивалентного сопротивления параллельно включенных резисторов;
R_д - добавочное сопротивление термонезависимого резистора, подключенного последовательно к эквивалентному сопротивлению.

Корректировка ТКС суммарного терморезистора производится за счет изменения величины эквивалентного сопротивления при сохранении номинального значения сопротивления суммарного терморезистора.

Точность корректировки - не хуже 0,1%.

С учетом вышеизложенного в НИИтеплоприборе изготовлены образцы термометров сопротивления с HCX как медных, так и платиновых термопреобразователей сопротивления с классами допусков A и B.

Как показано на фиг. 1, чувствительный элемент этого термометра имеет ситалловую подложку, на которой размещен термозависимый резистор на основе никеля 1, параллельно подключенный термонезависимый резистор 2 и последовательно подключенный термонезависимый резистор 3, выполненные на основе металлосилицидного сплава.

Электрическая схема соединений представлена на фиг.2.

Технология изготовления термозависимого резистора на основе никеля ограничивает применение подслоя (тантала или другого адгезионного материала), шунтирующего сопротивление термозависимого резистора, что не позволяет получить требуемое значение ТКС.

Кроме того, вжигание никеля при повышенной температуре для обеспечения адгезии к подложке затрудняет изготовление термонезависимых резисторов на одной подложке с термозависимым резистором из-за возможного взаимодействия материалов.

По этой причине, а также с целью расширения диапазона рабочих температур термометра сопротивления термонезависимые резисторы изготавливаются на отдельных подложках (чипах), приклеиваемых с помощью высокотемпературного клея к подложке, на которой расположен никелевый терморезистор (на фиг.1 обозначен пунктиром).

Формула изобретения

Тонкопленочный термометр сопротивления, содержащий два параллельно включенных резистора, один из которых термозависимый на основе никеля, а второй - термонезависимый, отличающийся тем, что отношение сопротивлений термозависимого резистора к термонезависимому находится в пределах 0,22 - 0,4 при 0^oC, а ТКС термозависимого резистора равен (5,8 - 6,4) 10^-3 1/град C при 100^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2