РЕЗИСТИВНЫЙ ТЕРМОМЕТР
RESISTIVE THERMOMETRE

Изобретение относится к резистивному термометру, состоящему из множества компонентов, по меньшей мере, включающему: по меньшей мере, одну подложку, состоящую по существу из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно больше, чем 10,5 ppm/K; по меньшей мере, один резистивный элемент, расположенный на подложке; и, по меньшей мере, один электроизолирующий разделительный слой, расположенный по существу между резистивным элементом и подложкой.
Из уровня техники известны приборы для измерения температуры, в которых измеряется и оценивается электрическое и зависимое от температуры сопротивление резистивного элемента. Для оценки требуется, чтобы была известна кривая температура-сопротивление, т.е. соответствующая характеристика элемента.
2
3
Известны, в частности, резистивные элементы, наносимые на электроизолирующую подложку по тонкопленочной технологии. Тонкий слой состоит, как правило, из платины или никеля с легированием или без, а подложка состоит в большинстве случаем из AlO.
Из уровня техники уже известно влияние характера подложки на характеристику находящегося на ней резистивного элемента. В публикациях DE 4300084 А1 и DE 19540194 C1 описано, например, что характеристика резистивного термометра обладает нужными свойствами, если коэффициент теплового расширения (ТСЕ) подложки из титаната магния лежит в диапазоне от 8,5 до 10,5 ppm/K.
В случае варианта осуществления изобретения согласно уровню техники подложка всегда оказывает большое влияние на характеристику или на значение TCR, т.е. температурный коэффициент резистивного термометра. В частности, согласно уровню техники невозможно довести значение TCR резистивного термометра близко к материалу резистивного термометра, находящегося в состоянии массивного материала. Массивным материалом называется состояние материала в противоположность тонким пленкам или порошку и означает, что материал находится в таком виде, что его можно рассматривать как бесконечно большое количество во всех трех измерениях с атомной точки зрения. Например, согласно уровню техники практически невозможно достичь измерительного сопротивления платины со значением TCR выше 3900 ppm/K, причем такие значения являются типичными для намотанных измерительных резисторов из чистой пластины. Кроме того, форма характеристики даже у резистивных термометров с более низкими значениями TCR (обычно 3850 ppm/K) отличается от формы, предписанной в DIN IEC 751. Это приводит к тому, что, в частности, в случае более широких температурных диапазонов или в случае высоких требований к точности предписанный диапазон допусков не соблюдается. Другие негативные эффекты недостаточного согласования материалов заключаются в гистерезисе (эффект памяти) и в недостаточной долговременной стабильности данных измерений.
Задача изобретения состоит в создании резистивного термометра с температурным коэффициентом (TCR) выше 3900 ppm/K.
eff
eff
Эта задача решается согласно изобретению с помощью признаков, включающих то, что компоненты резистивного термометра выполнены и согласованы друг с другом таким образом, что результирующий эффективный коэффициент теплового расширения (TCE) резистивного термометра соответствует заданному значению, где эффективный коэффициент теплового расширения (TCE) резистивного термометра приблизительно выражен, в основном, следующей формулой:
i
i
i
i
eff
где N - число компонентов резистивного термометра, i - порядковый номер отдельных компонентов, TCE, d, E являются коэффициентом теплового расширения, толщиной и упругостью отдельных компонентов соответственно, а F учитывает геометрический фактор, и эффективный коэффициент теплового расширения TCE больше или равен коэффициенту теплового расширения массивного металла резистивного элемента. Конструкция резистивного термометра включает, по меньшей мере, подложку, разделительный слой и резистивный элемент. Разделительный слой требуется, прежде всего, для того, чтобы препятствовать электрическому контакту между подложкой и резистивным элементом.
i
Геометрические факторы F индивидуальных компонентов лежат в диапазоне от 0 до 1 и учитывают, среди прочего, пространственное расположение отдельных компонентов, т.е. отдельные слои. При этом формула отражает результат взвешенной интерполяции показаний резистивного термометра.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из материала, коэффициент теплового расширения которого, в основном, больше 11 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из материала, коэффициент теплового расширения которого, в основном, составляет от 10,5 до 13,5 ppm/K.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения резистивный элемент нанесен на подложку по тонкопленочной технологии. Примерами такой тонкопленочной технологии является напыление или осаждение из паровой фазы.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения резистивный элемент состоит из платины и/или никеля.
В одном из вариантов осуществления изобретения резистивный элемент свободен от посторонней примеси или снабжен посторонней примесью.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения резистивный элемент имеет толщину слоя от 0,1 до 5 мкм.
В одном из вариантов осуществления изобретения резистивный элемент имеет толщину слоя от 0,1 до 2 мкм.
В одном из вариантов осуществления изобретения электроизолирующий разделительный слой выполнен из стекла, керамики или стеклокерамики.
В одном из вариантов осуществления изобретения электроизолирующий разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 100 мкм.
В одном из вариантов осуществления изобретения электроизолирующий разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 50 мкм.
В одном из вариантов осуществления изобретения электроизолирующий разделительный слой имеет коэффициент теплового расширения в диапазоне от 0,4 до 8 ppm/K.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предусмотрено, по меньшей мере, одно электроизолирующее покрытие, расположенное, в основном, на противоположной подложке стороне резистивного элемента.
В одном из вариантов осуществления изобретения электроизолирующее покрытие выполнено, в основном, из стекла, керамики или стеклокерамики.
В одном из вариантов осуществления изобретения электроизолирующее покрытие имеет толщину от 0,5 до 100 мкм.
2
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония. Оксид циркония (ZrO) становится электропроводящим при температуре выше 200°С, так что упомянутый разделительный слой предпочтителен между подложкой и резистивным элементом,
В одном из вариантов осуществления изобретения толщина подложки составляет от 0,15 до 1,0 мм.
В одном из вариантов осуществления изобретения толщина подложки составляет от 0,15 до 0,5 мм.
В одном из вариантов осуществления изобретения толщина подложки составляет от 0,2 до 1,0 мм. Преимущество таких тонких подложек, изготовленных, в частности, из оксида циркония, состоит, например, в том, что они вызывают небольшой гистерезис резистивного термометра и улучшенную характеристику. Подложка из оксида циркония толщиной 0,38 мм приводит, например, к значению TCR приблизительно 3913 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония, толщина подложки составляет от 0,2 до 1,0 мм, а электроизолирующий разделительный слой расположен, в основном, между резистивным элементом и подложкой. Разделительный слой препятствует электрическому контакту между подложкой и резистивным элементом, поскольку цирконий становится электропроводящим при температуре выше 200°С. Предпочтителен вариант, в соответствии с которым подложка состоит, в основном, из материала, коэффициент теплового расширения которого составления от 10,5 до 13,5 ppm/K. Благодаря этому варианту резистивный термометр имеет температурный коэффициент выше 3900 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения на обращенной от резистивного элемента стороне подложки предусмотрен, по меньшей мере, один внутренний компенсирующий слой. Он служит для компенсации эффектов теплового расширения разделительного слоя.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения внутренний компенсирующий слой в отношении вызываемого температурой изменения расширения выполнен, в основном, так же, как и разделительный слой.
В одном из вариантов осуществления изобретения внутренний компенсирующий слой состоит, в основном, из того же материала, что и разделительный слой.
В одном из вариантов осуществления изобретения на обращенной от резистивного элемента стороне подложки предусмотрен, по меньшей мере, один внешний компенсирующий слой. Он служит для компенсации эффектов теплового расширения покрытия.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения внешний компенсирующий слой расположен на обращенной от подложки стороне внутреннего компенсирующего элемента.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения внешний компенсирующий слой в отношении вызываемого температурой изменения расширения выполнен, в основном, так же, как и покрытие.
В одном из вариантов осуществления изобретения внешний компенсирующий слой состоит, в основном, из того же материала, что и покрытие.
В одном из вариантов осуществления изобретения покрытие состоит, в основном, из того же материала, что и разделительный слой.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония и имеет толщину от 0,3 до 0,5 мм, резистивный элемент состоит, в основном, из платины и имеет толщину от 0,45 до 2 мкм, разделительный слой имеет толщину от 0,5, до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K, а покрытие имеет толщину от 0,5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K. Благодаря такому устройству температурный коэффициент резистивного термометра составляет от 3910 до 3925 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония и имеет толщину от 0,3 до 0,7 мм, резистивный элемент состоит, в основном, из платины и имеет толщину от 0,45 до 2 мкм, разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K, а покрытие имеет толщину от 0,5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K. Благодаря такому устройству температурный коэффициент резистивного термометра составляет от 3910 до 3925 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония и имеет толщину от 0,3 до 0,5 мм, резистивный элемент состоит, в основном, из платины с, по меньшей мере, одной посторонней примесью и имеет толщину от 0,45 до 2 мкм, разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K, а покрытие имеет толщину от 0,5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K. Такое устройство создает температурный коэффициент резистивного термометра 3850 ppm/K с характеристикой по DIN IEC 751.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония и имеет толщину от 0,3 до 0,7 мм, резистивный элемент состоит, в основном, из платины, по меньшей мере, с одной посторонней примесью и имеет толщину от 0,45 до 2 мкм, разделительный слой имеет толщину от 5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K, а покрытие имеет толщину от 5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K. Такое устройство создает температурный коэффициент резистивного термометра 3850 ppm/K с характеристикой по DIN IEC 751.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония и имеет толщину от 0,3 до 0,5 мм, резистивный элемент состоит, в основном, из никеля и имеет толщину от 0,1 до 2 мкм, разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K, a покрытие состоит, в основном, из полимера или стекла. Такое устройство создает температурный коэффициент резистивного термометра от 6700 до 6740 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония и имеет толщину от 0,3 до 0,7 мм, резистивный элемент состоит, в основном, из никеля и имеет толщину от 0,3 до 2 мкм, разделительный слой имеет толщину от 5 до 40 мкм и состоит, в основном, из стеклокерамики с коэффициентом теплового расширения от 6 до 7,5 ppm/K, а покрытие состоит, в основном, из полимера или стекла. Такое устройство создает температурный коэффициент резистивного термометра от 6700 до 6740 ppm/K.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония, стабилизированного иттрием в количестве от 3 до 8 мол.%.
В одном из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония, стабилизированного скандием в количестве от 3 до 11 мол.%.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения подложка состоит, в основном, из оксида циркония, стабилизированного магнием в количестве от 0,5 до 4 мол.%.
Изобретение более подробно поясняется с помощью прилагаемого чертежа, на котором изображают схематичный разрез резистивного термометра,
электрические контакты, корпус и т.д. не показаны. Температура определяется за счет оценки электрического сопротивления. Для этого необходимо знать характеристику резистивного термометра.
2
Резистивный термометр или, вообще, температурный датчик здесь состоит из подложки 1, на которую нанесен электроизолирующий разделительный слой 2. Над разделительным слоем 2 находится резистивный элемент 4, служащий собственно для измерения. При этом речь идет о металлическом слое, который имеет подходящую структуру, например меандровый узор, и наносится по тонко- или толстопленочной технологии. Разделительный слой 2 предпочтителен, в частности, в том случае, если подложка состоит из оксида циркония (ZrO), который становится электропроводящим при температуре выше 200°С. Это означает, что разделительный слой 2 препятствует непосредственному электрическому контакту между проводящей подложкой 1 и резистивным элементом 4, который здесь выполнен, в частности, в виде слоя и понимается как таковой. Над резистивным элементом 4 предусмотрено покрытие 5, которое служит, в том числе, для пассивирования и, вообще, защиты металлического слоя резистивного элемента 4.
В проиллюстрированном здесь случае далее предусмотрены внутренний 3 и внешний 6 компенсирующие слои, которые компенсируют обусловленные температурой измерения расширения разделительного слоя 2 и покрытия 5 соответственно. Для этого компенсирующие слои 3, 6 имеют, в основном, такие же свойства, что и разделительный слой 2 и покрытие 5 соответственно. Преимущественно внутренний компенсирующий слой 3 состоит из того же материала, что и разделительный слой 2, и оба слоя 2, 5 рассчитаны одинаково. То же относится к внешнему компенсирующему слою 6 и покрытию 5.
Описанный резистивный термометр состоит, таким образом, в общей сложности, из шести слоев, пронумерованных следующим образом: 1 - подложка, 2 - разделительный слой, 3 - внутренний компенсирующий слой, 4 - резистивный элемент, 5 - покрытие, 6 - внешний компенсирующий слой.
i
i
i
i
Каждый из этих слоев имеет толщину d, модуль упругости E и коэффициент теплового расширения TCE. Далее каждый слой охарактеризован коэффициентом геометрической формы F от 0 до 1, который учитывает пространственное расположение отдельных слоев.
eff
Из этих величин эффективный коэффициент теплового расширения TCE всего устройства, т.е. всего резистивного термометра, приблизительно определяется по следующей формуле:
eff
bulk metal
eff
bulk metal
В этом случае следует, в частности, принять, что TCE≥TCE материала резистивного элемента 4 в виде массивного металла, т.е. коэффициент теплового расширения TCE резистивного термометра должен быть выше или равен коэффициенту теплового расширения TCE материала резистивного элемента 4 в виде массивного металла.
В этом случае в приведенной формуле i обозначает порядковое число отдельных слоев, а N равно в данном случае 6.
На основе этой формулы можно рассчитать резистивный термометр в соответствии с его требуемым температурным коэффициентом.
В частности, оказалось, что температурный коэффициент резистивного термометра возрастает с толщиной слоя подложки 1, причем увеличение толщины разделительного слоя 2, в свою очередь, уменьшает температурный коэффициент.