Высокотемпературный терморезистор
Полезная модель относится к области промышленной электроники и может использоваться в металлургии, ядерной энергетике и ряде других областей. Сущность предложенного технического решения состоит в том, что термочувствительный элемент терморезистора выполнен в виде пластины из композиционного материала, представляющего собой кристаллиты карбида кремния в матрице кремния. Рабочий температурный диапазон терморезистора составляет от 800°C до 1200°C, а термочувствительность достигает значения 8500 К. 2 илл.
Полезная модель относится к области промышленной электроники и может быть использовано для создания терморезисторов (ТР) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, пригодных для применения при температуре до 1200°C в окислительных средах. Заявляемый терморезистор может применяться для бесконтактного контроля температуры, например, при выплавке металлов и сплавов и их горячей прокатке, а также в системах управления ядерными энергетическими установками.
Известен полупроводниковый материал для ТР с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления на основе твердых растворов в структуре типа шпинели (RU 2073274, H01C 7/04, 10.02.1997 г.) [1]. Недостатками этого материала являются низкая температура использования (не более 600°C) и достаточно сложная подготовка исходной керамики. Еще одним недостатком может быть сложность изготовления надежных невыпрямляющих контактов к получаемой шпинели.
Известен терморезистивный материал на основе Bi2O3 и V2 O5, способный использоваться на воздухе в температурном интервале 440-600°C. (SU 1496534, H01C 7/02; H01C 7/04, 20.08.1999 г.) [2]. Недостатком этого материала является также ограниченная предельная температура эксплуатации (ТР), изготовленного на его основе и сильная зависимость характеристик от соотношения компонентов материала. Каждый терморезистор на основе материала [2] может нуждаться в индивидуальной градуировке.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и принятым за прототип является терморезистор, не требующий индивидуальной градуировки, содержащий термочувствительный элемент, выполненный в виде пластины из поликристаллического полупроводникового кремния и контактов к нему. (SU 1737523, H01C 7/04, 30.05.1992 г.) [3]. Принцип его работы основан на хорошо известном переходе полупроводникового кремния из области примесной проводимости в область собственной при увеличении внешней температуры. В качестве первичного контакта к термочувствительному элементу резистора используется слой электрохимически осажденного никеля, к которому в дальнейшем крепятся внешние электроды из никеля методом электроконтактной сварки.
Недостатком терморезистора [3] является низкая предельная измеряемая температура - 500°C. Это обусловлено тем обстоятельством, что при превышении этой температуры полупроводниковый кремний полностью переходит в область собственной проводимости и снижение его электросопротивления при дальнейшем увеличении температуры не наблюдается. Термочувствительность терморезистора-прототипа B=6400 К.
Главными отличительным признаком заявляемого ТР является исполнение его термочувствительного элемента в виде пластины из композиционного материала, содержащего кристаллиты карбида кремния в матрице кремния.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемого ТР, выражается в увеличении температуры его использования и термочувствительности.
Для достижения названного технического результата в известном терморезисторе, содержащем термочувствительный элемент и контакты к нему, термочувствительный элемент выполнен в виде пластины из композиционного материала, представляющего собой кристаллиты карбида кремния в матрице кремния.
Высокотемпературный терморезистор содержит термочувствительный элемент, выполненный в форме пластины из кристаллического композиционного полупроводникового материала, и контакты к нему. Схематическое изображения заявляемого терморезистора приведено на фиг. 1. Между внешними никелевыми контактами 1 и термочувствительным элементом 2 имеется подслой 3 никеля, осажденного на поверхность пластины 2 электрохимическим способом. Контакты 1 крепятся к нему с помощью электроконтактной сварки.
На фиг. 2 приведена зависимость сопротивления заявляемого терморезистора R (Ом) от температуры T (К). График выполнен в координатах lnR=f(1/T) для лучшей визуализации области перехода терморезистора из зоны примесной проводимости его материала в зону собственной проводимости. Рабочая характеристика заявляемого ТР находится в температурном диапазоне от 800°C до 1200°C. При более низких температурах его термочувствительность невелика. Дальнейшее увеличение температуры ограничено образованием силицидов и карбидов никеля в области их контакта с термочувствительным элементом, что приводит к необратимому искажению показаний ТР.
Основными характеристиками ТР являются предельная температура использования и термочувствительность B=(lnR1-lnR2)/(1/T1-1/T 2), где индексы 1 и 2 относятся к начальному и конечному участку рабочей характеристики. Промышленно выпускаемые ТР допускают предельную температуру 300°C, в отдельных случаях 500°C, а их термочувствительность В не превышает значения 3000 К. Заявляемый ТР способен использоваться до 1200°C, а его термочувствительность в этом температурном диапазоне достигает значения И=8500 К.
Высокотемпературный терморезистор, содержащий термочувствительный элемент, выполненный в форме пластины из кристаллического полупроводникового материала, и контакты, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала использован композиционный материал, представляющий собой кристаллиты карбида кремния в матрице кремния.
