thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy trộn, chương 9 ppt

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.