CHƯƠNG 1. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic
Mục tiêu: Hiểu được nguyên tắc của cảm biến nhệt độ với với vật liệu silic và đặc tính của dòng sản phẩm KTY
Hình 1.9: Một số loại cảm biến thực tế
Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, sự chính xác, phí tổn thấp, và có thể được tích hợp trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch đại và các yêu cầu xử lí tín hiệu khác.Hệ thống trở nên nhỏ gọn hơn, mức độ phức tạp cao hơn và chạy nhanh hpown. Kỹ thuật cảm biến truyền thống như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu sự điều chỉnh để có thể chuyển đổi chính xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện ( dòng hoặc áp), đang được thay thế dần bởi các cảm biến với lợi điểm là sự nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và dễ sử dụng
3.1. Nguyên tắc
Hình 1.10 thể hiện cấu trúc cơ bản của một cảm biến. kích thước của cảm biến là 500 x 500 x 200 àm.
Mặt trên của cảm biến là một lớp SiO2 có một vùng hình tròn được mạ kim loại có đường kớnh khoảng 20àm, toàn bộ mặt đáy được
mạ kim loại. Hình 1.10
Hình 1.11 biểu diễn mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cho cảm biến silic (sản xuất theo nguyên tắc điện trở phân rải (spreading resistance)).Sự sắp xếp này dẫn đến sự phân bố dòng qua tinh thể có dạng hình nón, đây là nguồn gốc của tên gọi điện trở phân rải(spreading resistance).
Hình 1.11 Điện trở điện trở cảm biến nhiệt R được xác định như sau:
R: điện trở cảm biến nhiệt.
: điện trở suất của vật liệu silic ( lệ thuộc vào nhiệt độ).
d: đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên.
Hình 1.15 thể hiện loại kết cấu thứ hai của cảm biến. Lợi điểm của kiểu kết cấu này là điện trở cảm biến không phụ thuộc vào chiều dòng điện.
Trái lại kiểu kết cấu thứ nhất, dành cho dòng điện lớn hơn và nhiệt độ trên 1000C, sự thay đổi điện trở của cảm biến nhỏ.
Cảm biến nhiệt silic với nguyên tắc điện trở phân rải có hệ số nhiệt độ dương như trường hợp cảm biến nhiệt
Hình 1.12: Kết cấu gồm hai cảm biến mắc nối tiếp nhưng ngược cực tính.
với vật liệu platin hay nickel.
3.2. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất)
Với sự chính xác và ổn định lâu dài của cảm biến với vật liệu silic KTY sử dụng công nghệ điện trở phân rải là một sử thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt độ truyền thống.
3.2.1. Các ưu điểm chính
Sự ổn định:
Giả thiết cảm biến làm việc ở nhiệt độ có giá trị bằng một nữa giá trị nhiệt độ hoạt đông cực đại, sau thời gian làm việc ít nhất là 450000 h (khoảng 51 năm), hoặc sau 1000 h (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức tại giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng 1.
Bảng 1: Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)
TYPE Sai số tiêu biểu (K)
Sai số lớn nhất (K) KTY81-1
KTY82-1 0.20 0.50
KTY81-2
KTY82-2 0.20 0.80
KTY83 0.15 0.40
Sử dụng công nghệ silic:
Do cảm biến được sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ silic nên gián tiếp chúng ta sẽ hưởng được lợi ích từ những tiến bộ trong lãnh vực công nghệ này, đồng thời điều này cũng gián tiếp mang lại những ảnh hưởng ích cực cho công nghệ “đóng gói”, nơi mà luôn có khuynh hướng thu nhỏ.
Sự tuyến tính
Cảm biến với vật liệu silic có hệ số gần như là hằng số trên toàn bộ thang đo. Đặc tính này là một điều lý tưởng để khai thác, sử dụng (xem hình đặc trưng kỹ thuật của KTY81).
Nhiệt độ hoạt động của các cảm biến silic thông thường bị giới hạn ở 150 0C. KTY 84 với vở bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có thể hoạt động đến nhiệt độ 300 0C.
Hình 1.13: Đặc trưng kỹ thuật của KTY81 3.2.2 Đặc điểm của sản phẩm
Đối với loại KTY 83, ta có phương trình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ như sau:
RT là điện trở tại nhiệt độ T
Rref là điện trở tại Tref (1000C với loại KTY 84, 250C với các loại cảm biến còn lại)
A,B là các hệ số.
Tên sản
phẩm R25(Ω) ∆R Thang đo(oC) Dạng IC
KTY81-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOD70
KTY81-2 2 000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOD70
KTY82-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOT23
KTY82-2 2000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOT23
KTY83-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 175 SOD68 (DO-34) KTY84-1 1000 (R100) ±3% tới ±5% −40 tới 300 SOD68 (DO-34)
Với KTY 81/82/84:
Tl là nhiệt độ mà độ dốc của đường cong bắt đầu giảm.
Nếu T <Tl thì hệ số C= 0
C, D là các hệ số.dsd Loại cảm
biến A (K−1) B (K−2) C(1) (K−D) D TI (°C) KTY81-1 7.874 × 10-3 1.874 × 10−5 3.42 × 10−8 3.7 100 KTY81-2 7.874 × 10−3 1.874 × 10−5 1.096 × 10−6 3.0 100 KTY82-1 7.874 × 10−3 1.874 × 10−5 3.42 × 10−8 3.7 100 KTY82-2 7.874 × 10−3 1.874 × 10−5 1.096 × 10−6 3.0 100
KTY83 7.635 × 10−3 1.731 × 10−5 − − −
KTY84 6.12 × 10−3 1.1 × 10 −5 3.14 × 10−8 3.6 250 Chú ý: Với loại cảm biến KTY 83/84 khi lắp đặt cần chú ý đến cực tính, đầu có vạch màu (xem hình phí dưới) cần nối vào cực âm (do chúng có kiểu kết cấu thứ 1 như hình 1.13). KTY 81/82 sử dụng kiểu kết cấu thứ 2 (hình 1.15) nên không cần quan tâm đến cực tính.
3.2.3. Hình ảnh thực tế các loại cảm biến
Hình 1.14
Hình 1.15