MF5602型低溫?zé)崦綦娮铚囟扔?jì)的特性研究

蘭玉岐 姜迎春 陳光明 駱明強(qiáng) 朱曉彤

1 引言

負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，簡(jiǎn)稱NTC)熱敏電阻溫度溫度計(jì)相對(duì)于其它溫度計(jì)而言，具有價(jià)格低廉、靈敏度高、響應(yīng)快、受磁場(chǎng)和輻射影響小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于醫(yī)療、家電、汽車(chē)、辦公自動(dòng)化、電信、軍事、航空航天等領(lǐng)域的溫度測(cè)量和控制等方面［1-3］。

NTC氧化物熱敏陶瓷的電阻值和溫度之間的關(guān)系一般可用Arrhenius方程來(lái)表示:

其中:A為常數(shù)，由熱敏電阻的形狀和尺寸等決定;B為熱敏材料常數(shù)，由材料的物理特性決定;T為熱力學(xué)溫度。根據(jù)式(1)可知熱敏電阻材料使用溫度越低，其B值應(yīng)越小。準(zhǔn)確地測(cè)量2個(gè)溫度點(diǎn)的電阻值便可以求出常數(shù)A、B。即:

其中:R1是溫度為T(mén)1時(shí)的電阻值，R2是溫度為T(mén)2時(shí)的電阻值［1-2］。

Steinhart and Hart方程和Hoge方程是通過(guò)電阻值計(jì)算溫度值更為準(zhǔn)確的曲線擬合方程［3-4］，分別如下:

Steinhart and Hart方程:

其中:a、b、c是常數(shù)。

Hoge方程:

其中:c0、c1、c2、c3、…、cn是常數(shù)。

國(guó)外成熟的低溫NTC熱敏電阻溫度計(jì)有Cernox、鍺電阻、碳電阻、氧化釕電阻，中國(guó)主要產(chǎn)品為采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的氧化物復(fù)合陶瓷珠粒電阻，型號(hào)有MF5602和MF5604兩種，主要用于航天領(lǐng)域低溫介質(zhì)的溫度測(cè)量和液位測(cè)量。盡管關(guān)于低溫氧化物熱敏電阻的研究工作早已開(kāi)始并有成熟產(chǎn)品，但新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)和相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用模擬模仍是重點(diǎn)的研究方向。本文就采用切片、劃片等先進(jìn)的半導(dǎo)體陶瓷工藝生產(chǎn)的MF5602型、在20—50 K溫度范圍內(nèi)應(yīng)用的低溫NTC熱敏電阻溫度計(jì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)的電學(xué)特性

對(duì)采用新工藝生產(chǎn)的MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)用低溫恒溫器(使用液氫作為冷源介質(zhì))、標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(jì)、測(cè)溫電橋在20—50 K之間進(jìn)行分度，4線制測(cè)量方法，激勵(lì)電流為1μA。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算熱敏常數(shù)B值并分別采用3、4階Hoge方程進(jìn)行擬合。

兩支低溫NTC熱敏電阻溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果的電阻-溫度曲線如圖1所示。從圖中可以得出結(jié)論采用新工藝生產(chǎn)的MF5602型低溫NTC熱敏電阻溫度計(jì)在20—50 K之間有典型的負(fù)溫度系數(shù)熱敏特性。

圖1 MF5602型熱敏電阻溫度計(jì)阻值與溫度的關(guān)系曲線Fig.1 Plot between resistance and temperature of MF5602

溫度、電阻值測(cè)量數(shù)據(jù)擬合結(jié)果殘差曲線如圖2所示，擬合殘差分布在-15 mK到15 mK之間，證明新工藝生產(chǎn)的MF5602型NTC熱敏電阻溫度在實(shí)際使用過(guò)程中可采用Hoge方程進(jìn)行分度擬合和校準(zhǔn)。

圖2 Hoge方程擬合MF5602熱敏電阻溫度計(jì)的殘差曲線Fig.2 Residual plots of Hoge equations for MF5602 thermistors

運(yùn)用式(2)計(jì)算NTC熱敏材料的B20K/45K常數(shù)為190 K左右，符合低溫NTC熱敏陶瓷材料的特性要求。相對(duì)靈敏度αT(αT=(d R/d T)/R)值如圖3所示，MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)的相對(duì)靈敏度絕對(duì)值遠(yuǎn)大于鉑電阻溫度計(jì)(電阻靈敏度3.9×10-3/K)。

MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)與美國(guó)Lake Shore公司的Cernox產(chǎn)品(電阻靈敏度最高)在典型溫度點(diǎn)的電阻值、電阻靈敏度如表1所示，得出MF5602型NTC電阻溫度計(jì)在典型點(diǎn)的電阻值和電阻靈敏度值均高于美國(guó)Lake Shore公司相關(guān)產(chǎn)品。

圖3 MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)的相對(duì)靈敏度系數(shù)與溫度關(guān)系曲線Fig.3 Relative sensitivity coefficient of MF5602 NTC thermistors(αT)vs.temperature curve

表1 MF5602與CX-1080在典型溫度點(diǎn)的電阻值和電阻靈敏度值Table 1 Values of resistance，sensitivity between MF5602 and different CX-1080 at typical temperatures

2.2 MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)的穩(wěn)定性

新工藝生產(chǎn)的MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)在100℃進(jìn)行1 200 h的高溫貯存、液氫中(20 K)進(jìn)行48 h的低溫貯存和從室溫到液氫溫度(20 K)的100次熱循環(huán)老化試驗(yàn)。

老化后的NTC熱敏電阻溫度計(jì)產(chǎn)品使用標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻、測(cè)溫電橋采用四線制在液氫中(20 K)進(jìn)行電學(xué)測(cè)量，測(cè)試激勵(lì)電流為1μA，記錄電阻值。然后在室溫到液氫中(溫度20 K)進(jìn)行50次熱循環(huán)溫度沖擊試驗(yàn)，冷卻和復(fù)溫時(shí)間為30 min。最后在液氫中采用同樣的測(cè)量方法進(jìn)行電阻測(cè)量，計(jì)算其電阻漂移。電阻漂移引起對(duì)應(yīng)的溫度誤差小于10 mK。所以新工藝生產(chǎn)的MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)具有較好的穩(wěn)定性。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)的影響

有時(shí)低溫工程和低溫物理領(lǐng)域要求在高磁場(chǎng)條件下進(jìn)行溫度測(cè)量，能在磁場(chǎng)存在的條件下進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測(cè)量對(duì)低溫溫度計(jì)至關(guān)重要，是低溫溫度計(jì)的一個(gè)重要特性，磁場(chǎng)存在條件下不同的溫度傳感器具有不同的性能［5-6］。

新工藝生產(chǎn)的MF5602型熱敏電阻溫度計(jì)在變化的磁場(chǎng)存在條件下的電阻值被測(cè)量，磁場(chǎng)變化引起的溫度測(cè)量偏差被計(jì)算。磁場(chǎng)存在引起的相對(duì)溫度偏差:

其中:TB是磁場(chǎng)強(qiáng)度為B時(shí)的溫度測(cè)量值，T是磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)的溫度測(cè)量值。變化的磁場(chǎng)條件下溫度測(cè)量曲線如圖4所示，磁場(chǎng)誘發(fā)的相對(duì)偏差很小能夠滿足在磁場(chǎng)存在條件下進(jìn)行低溫測(cè)量。

圖4 MF5602熱敏電阻溫度計(jì)的磁場(chǎng)-溫度關(guān)系曲線Fig.4 Temperature errors，d T/T(%)vs.magnetic field curves for MF5602 NTC thermistors

MF5602型熱敏電阻溫度計(jì)與美國(guó)Lake Shore公司的相關(guān)產(chǎn)品在典型溫度點(diǎn)因磁場(chǎng)引起的相對(duì)溫度偏差如表2所示，MF5602型熱敏電阻溫度計(jì)受磁場(chǎng)影響最小。

表2 不同溫度傳感器在典型溫度點(diǎn)因磁場(chǎng)引起的溫度偏差Table 2 Typical magnetic field-dependent temperature errors d T/T(%)of different sensors at B(magnetic induction)

3 結(jié)論

采用新工藝生產(chǎn)的MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)具有典型的NTC熱敏陶瓷特性，材料的B20K/45K常數(shù)為190 K左右，可在20—50 K之間進(jìn)行溫度測(cè)量，校準(zhǔn)擬合殘差分布在-15 mK到15 mK之間，相同溫度測(cè)點(diǎn)的電阻值和電阻靈敏度值均優(yōu)于美國(guó)Lake Shore公司相關(guān)產(chǎn)品。

高、低溫貯存、熱循環(huán)溫度沖擊老化后進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量，結(jié)果表明在室溫到液氫中(溫度20 K)進(jìn)行50次熱循環(huán)溫度沖擊試驗(yàn)，電阻漂移引起對(duì)應(yīng)的溫度誤差小于10 mK，MF5602型NTC熱敏電阻溫度計(jì)具有較好的穩(wěn)定性。

在典型溫度點(diǎn)磁場(chǎng)對(duì)MF5602型熱敏電阻溫度計(jì)的測(cè)量偏差影響被測(cè)量，磁場(chǎng)引起的相對(duì)溫度偏差小于美國(guó)Lake Shore公司的相關(guān)產(chǎn)品，受磁場(chǎng)影響最小。

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