Chương 9: Nhiệt điện trở 5.3.3.1 Đặc điểm chung Một tính chất quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất cao, khoảng 10 lần lớn hơn so với điện trở kim loại. Ngoài ra, hệ số nhiệt của chúng có giá trò âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp các ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAL 2 O 4 , Mn 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Co 2 O 3 , NiO, ZnTiO 4 . Để chế tạo nhiệt điện trở, các bột ô xít được trộn với nhau theo một tỷ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén đònh dạng và thiêu kết ở 1000 o C. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại. Các nhiệt điện trở được chế tạo với những hình dạng khác nhau (đóa, hình trụ, vòng…) và phần tử nhạy cảm có thể được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần. Các vật liệu thường được sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo những điện trở có giá trò thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và với kích thước tối thiểu (cỡ mm). Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn. Độ ổn đònh của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào việc chế tạo nó và điều kiện sử dụng. Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bò phá huỷ hoá học và tăng độ ổ đònh khi làm việc. Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng gián nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn đến làm rạn nứt vật liệu. Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, dãi nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ một vài độ tuyệt đối đến đến khoảng 300 o C. Có thể mở rộng dãi nhiệt độ này nhưng khi đó trò số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao. 5.3.3.2 Độ Dẫn Của Nhiệt Điện Trở Một cách tổng quát, độ dẫn của một chất bán dẫn được biểu diễn bởi công thức: = q( n n + p p) (5-12) Trong đó n , p là độ linh động và n, p là nồng độ của điện tử và lỗ trống (tương ứng), q là điện tích của chúng (q = 1,6.10 -19 c). Trái ngược với trường hợp kim loại, đối với bán dẫn, nhiệt độ ảnh hưởng chủ yếu đến nồng độ điện tích tự do (n,p). Sự thay đổi của nhiệt độ làm đứt mối liên kết giữa các nguyên tử và dẫn đến sự hình thành các cặp điện tử và lỗ trống. Số cặp G hình thành trong một đơn vò thời gian từ một đơn vò thể tích được biểu diễn bởi biểu thức: G = A.T a .exp(-qE i /kT) (5-13) Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn, E i là năng lượng cần thiết để làm đứt mối liên kết, A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu. Tuy nhiên một điện tử và một lỗ trống tự do có thể tái hợp lại để hình thành một mối liên kết. Số lần tái hợp R trong một đơn vò thời gian từ một đơn vò thể tích tỷ lệ với nồng độ điện tử và lỗ trống tự do: R = r .np (5-14) Trong đó: r là hệ số tái hợp, vì n=p nên: R = r.n 2 Ở trạng thái cân bằng nồng độ điện tích tự do không thay đổi: G = R nghóa là: kTqE r AT n i a 2/exp. 2/1 Nếu tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ linh động của điện tử n và lỗ trống p thí độ dẫn có thể được viết dưới dạng biểu thức sau: = C.T b .exp(- /T) (5-15) Trong đó C và b là các hằng số đặc trưng cho vật liệu : b = 1 4 = qE i /2k E i là năng lượng liên kết. 5.3.3.3 Quan Hệ Điện TRở–Nhiệt Độ Từ biểu thức của độ dẫn có thể viết biểu thức của điện trở: oo o TTT T RTR 11 exp 2 (5-16) Trong đó R o là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T o . Do vậy có thể biểu diễn độ nhạy dưới dạng: 2 T bT R (5-17) nh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế hơn cho nên điện trở được viết lại dưới dạng: o o TT BRTR 11 exp (5-18) và bỏ qua không xét đến sự phụ thuộc của B vào nhiệt độ. Trong trường hợp này, độ nhạy nhiệt có dạng R = -B/T 2 . Giá trò của B nằm trong khoảng 3000 5000K. Trên hình 5.1a biểu diễn sự thay đổi của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của một nhiệt điện trở. Trên hình 5.1b biểu diễn sự thay đổi của độ nhạy nhiệt R vào nhiệt độ của cùng nhiệt điện trở đó. Giá trò của B đối với nhiệt điện trở này bằng 3200K ở -80 o C và tăng lên đến 4150K khi nhiệt độ bằng 150 o C, tương ứng với = 2600K và b =3,6. R (T) 1M 100k 10k 1k 100 10 0.002 0.004 0.003 0.005 1/T 500 400 300 250 200 T a) Hình 5.1a Đặc trưng điện trở của nhiệt điện trở. T(K) 400 350 300 250200 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 - R Hình 5.1b Đặc trưng độ nhạy nhiệt của một nhiệt điện trở. Độ nhạy nhiệt cao của nhiệt điện trở cho phép ứng dụng chúng để phát hiện những biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (10 - 4 10 -3 K). Các nhiệt điện trở có thể được sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ một vài độ K đến 300 o C. Để đo nhiệt độ ngoài phạm vi của dải này, cần phải chọn vật liệu đặc biệt, thí dụ cacbuasilic và có biện pháp bảo vệ hữu hiệu chống lại sự phá huỷ hoá học. Để đo nhiệt độ thấp, người ta sử dụng các nhiệt điện trở có giá trò nhỏ ở 25 o C (thí dụ 50 hoặc 100). Trong khi đó, để đo nhiệt độ cao cần phải sử dụng những nhiệt điện trở có điện trở cao ở nhiệt độ 25 o C (từ 100 đến 500). Việc lựa chọn giá trò chính xác của điện trở phụ thuộc vào thiết bò đo. . năng lượng cần thiết để làm đứt mối liên kết, A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu. Tuy nhiên một điện tử và một lỗ trống tự do có thể tái hợp lại để hình thành một mối liên kết. Số lần tái. đònh của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào việc chế tạo nó và điều kiện sử dụng. Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bò phá huỷ hoá học và tăng độ ổ đònh khi làm việc. Trong quá trình. do (n,p). Sự thay đổi của nhiệt độ làm đứt mối liên kết giữa các nguyên tử và dẫn đến sự hình thành các cặp điện tử và lỗ trống. Số cặp G hình thành trong một đơn vò thời gian từ một đơn vò