国外低温温度传感器的研制现状①王克军(中国航天科技集团公司一院101所 北京 100074) 摘 要 温度测量是低温研究部门的一个普遍项目。
对近年来一些国家(特别是发达国家)的低温温度传感器研制、应用情况做了介绍,并分析了今后温度传感器的发展趋势,以及我国与国外存在的主要差距。
主题词 温度传感器 低温 述评1 引 言据统计,在各类温度传感器中,低温温度传感器约占5%。
低温领域的特殊性以及相关技术的复杂性,增加了人们对低温温度的获得和准确测量的难度。
近年来,随着近代物理学和电子技术的发展,低温温度传感器作为一门新兴技术,不仅得到发达国家的普遍重视,也一直是各发展中国家竞相进行研究开发的热点,许多国家通过研究各种物理效应,探索新的低温测量方法,采用近代技术开发新产品,扩大测温范围,提高测量精度,占领世界市场,并取得了新进展。
2 常用低温温度传感器的发展211 热电阻温度计在用来进行低温测量的热电阻温度计中,占比例最大的是铂电阻。
ITS -90国际温标规定工业装置和实验研究的低温测量中,低温区1318033K ～273116K 范围内用铂电阻作标准温度计。
目前,各国普遍将铂电阻温度计用于较精密的测量。
按照正式实施的技术标准体系划分,铂电阻温度计有四个“派别”,除了在技术要求方面不一致外,分度表也不相同。
1983年国际电工委员会(IEC )正式颁布的铂电阻技术标准,采用电阻比W =R (100℃)/R (0℃)=113850的分度表。
俄罗斯和一些东欧国家自成体系,采用W =R (100℃)/R (0℃)=113910的分度表,日本采用W =R (100℃)/R (0℃)=113916的分度表。
美国也有自己的铂电阻技术标准,它采用W =113920的分度表,但这个标准不是强制性的,而是推荐性的。
美国大部分铂电阻公司既生产符合美国技术标准的产品,也生产其他标准的产品,即按照客户的需要进行供应。
此外,美国一些铂电阻公司对自己产品提出的要求甚至超过了国际电工委员会的规定,从这一点可以看出美国人的商业观念和产品意识。
此2002年第5期低 温 工 程N o 15 2002总第129期CRY OGE NICS Sum N o 1129①本文于2002年6月20日收到。
王克军,男,31岁,工程师。
05低 温 工 程2002年外,美国铂电阻行业为了适应核电站、核工厂以及高可靠性场合的需要,正在大力开发、试验、生产高可靠性铂电阻温度计,并制定了相应的高标准,代表了目前国际上最先进的技术水平。
在电阻材料方面,美国研制成功直径4μm钨丝制成的电阻温度计,可测量80K～400 K、温度变化频率为30H z的氦气温度,研制成的碳电阻温度计,定点测量几十mK到30K 的低温,复现性达01005K。
日本研制出利用锑化铟材料做成的半导体温度传感器,用于150K以下的低温温度测量,30K以上显示较好的线性,灵敏度高,离散性小。
德国1888年首创的精密锰铜电阻,至今为止仍然是最稳定的电阻材料,近年试制成功的一种锗搀杂的锰铜,电阻率413×10-7Ω・m,被用来制作精密铜电阻温度计。
由于常用的低温电阻温度计在低温状态下比热变小,所以易受外部干扰,产生较大误差。
为解决这一问题,日本研究了利用铌薄膜作电极制造的低温温度计。
由于铌薄膜能在一极窄的温度范围内产生超导转移,所以可以利用这一特定温度来进行温度计的自我校正和经时变化的监视,以提高测量的可靠性,灵敏度随温度降低而增加,从室温的0125Ω/K到412 K的96Ω/K。
铂电阻的发展越来越依靠工艺装备。
近年来,国际上铂电阻生产厂用真空沉积、阴极溅射和烧结浆料等不同工艺方法推出一种新薄膜铂电阻,这种膜层工艺改变了原来的线绕工艺制造铂电阻,在一些需表面、小区域和快速测温以及需高阻值元件的场合特别适用。
薄膜铂电阻在法国、德国生产发展很快,有完整的流水线,产量也很高。
212 热电偶温度计热电偶温度计是用来测量低温的常用传感器,其结构原则没有太大改变。
国外主要变化是为适应市场需要,发展了大量的各种结构的变型品种。
以美国为代表的一些发达国家生产的热电偶有这样的特点:⑴装配式热电偶和铠装热电偶并行发展,但装配式廉金属热电偶越来越少,铠装热电偶有最终占领市场的趋势。
受工艺影响,装配式廉金属热电偶其价格并不“廉”,只有铠装化才能使金属材料大量节约,成本降低,并且具有耐压、耐冲击、耐腐蚀、热响应时间短、使用寿命长、易于安装的优点。
由于热电偶铠装化的明显优点,近年来美国一些主要研究机构花了很大力量研究铠装热电偶的性能,不但廉金属热电偶已经有了各种规格的铠装式,而且连贵金属热电偶也向铠装化发展。
⑵热电偶的材料品种多。
美国国家标准学会公布的热电偶材料品种、代号和国际电工委员会确认的品种、代号是一致的,即B,S,K,E,J,T,R,N共8种,但不少厂家还生产许多非标准热电偶,数量达几十种,在这些非标准热电偶中有一些是很出色的,他们大多是由金、钨、铼、铂、铑、铱、钯、钼等金属的合金制成。
⑶热电偶保护管材料品种多。
美国的材料科学发达,许多热电偶保护管材料已经规格化,能大批生产,供应仪表生产公司和用户的需要。
由澳大利亚N1A1Burley等人研制出的新型镍铬硅-镍硅热电偶,现代号为N型,美国和澳大利亚合作对它的各项性能进行了全面深入细致地研究。
通过调整合金中Cr,Si和其他成分的含量确定最佳配方,提高合金的抗氧化性,还可以在还原性环境中使用。
热稳定性是其他廉金属热电偶的4～60倍,测量范围-240℃～1230℃,是一种前途广阔的热电偶。
此外,目前德国的热电偶产品。
也在一定程度上代表了国际水平。
德国生产的廉金属铠装热电偶材料有镍铬2镍硅、铁2康铜、铜2康铜、镍铬2康铜等品种,成品规格Φ1mm ～Φ10mm ,长度40m ～400m ,成品最小直径可以达Φ015mm ,外套管根据耐腐蚀和耐温要求有十几种可以选择。
213 热敏电阻温度计在所有的低温传感器中,热敏电阻因为对温度变化敏感性强而具有特别的重要性,约占全部低温热敏元件总量的40%以上,是低温传感器的主流,国际上其产值在各类温度计中排第三位。
我国的热敏电阻目前阻值精度一般为±5%,B 值精度为±3%,响应时间十几秒。
近年来国外热敏电阻的发展情况,从总体上看,与当前的电子元器件发展方向一样,正朝着高精度、高可靠、长寿命、小、薄、片式化等方向发展。
日本拥有雄厚的力量,产量约占世界的1/2,其次为美国,约占1/4。
日本在开发研制新材料、电极、烧结、控制粉体粒度、添加剂掺杂、芯片制备技术上花了不少功夫,拥有精湛的工艺技术。
日本的精密NT C 热敏电阻尺寸只有016mm ×016mm ,阻值却为1k Ω～1M Ω,阻值精度±1%,B 值精度±1%～±2%,响应时间2s ～15s 。
日本还在以往单片式NT C 热敏电阻的基础上采用先进工艺,开发出多层热敏电阻,具有较高的灵敏度和可靠性。
美国已生产出最小直径为0105mm ,引线直径为0102mm 的珠状热敏电阻,响应时间约为1s ,最低测量温度为412K 。
214 红外辐射温度计辐射式温度计是依据物体辐射的能量来测量其温度的传感器。
它属于非接触式,具有测温范围宽、反应迅速、热惰性小等优点。
这种传感器适用于腐蚀性场合、运动状态物体的温度测量。
由于它的感温部分不与测温介质直接接触,因此其测温精度不如热电偶温度计高,测量误差较大,由于低温时辐射能量大大减小,而且是发射波长较长的红外线,因此在低温场合用来测量的机会相对比较少。
随着辐射检测元件的进展,美国正努力将检测元件安装在极低温的全辐射温度计上,将温度延伸到低温范围并可望进行温度的绝对测定。
3 新型低温温度传感器的测量成果近年来在低温温度测量方面,一些国家取得了可喜成果。
俄罗斯利用声速在气体中与温度的关系,研制了电声气体温度计,在2K ～273K 温度范围内测定热力学温度的误差约为0101℃,并可得到01001K ～010005K 的复现性,研制的石英晶体音叉温度传感器,测量范围412K ～+250℃,分辨力010001K,精度0102K ～012K;英国的低温气体温度计在2K ～20K 温度范围内可达010005K 的精度;澳大利亚定容气体温度计在2K ～16K 温度范围内准确度达±01003K;日本采用硅膜片内差气体温度计,在4K ～24K 范围内次级实现了ITS 290;美国研制的25欧低温标准铂电阻温度计,电桥分辨率0100002℃,利用K ClO 3晶体共振温度计测量12K ～297K 的温区,综合误差为±01001K ～±0101K,利用电子在电阻体内部无规则热运动产生微小电流变化制成的“热噪声温度传感器”,记录了最低为01075K 的噪声温度,理论上可测到千分之几开的温度;意大利也利用电子热噪声求出绝对零度附近的温度,精度达10-4K 。
4 温度传感器的发展趋势无论在国内还是国外,温度传感器使用范围、应用领域正在迅速扩大。
现代微电子、微15第5期国外低温温度传感器的研制现状25低 温 工 程2002年细加工、计算机、新型材料、超导技术等又为新型温度传感器的研制和发展奠定了基础。
411 向高精度方向发展由于自动化程度的不断提高,对测量灵敏度高、精度高、响应速度快的温度传感器需求较多,今后的发展也必将在这方面有所提高。
412 向高可靠性、长寿命方向发展温度传感器的可靠性直接关系到测量设备的抗干扰和测量误差问题,也关系到测量结果的准确性,而能在低温环境下工作,具有较长的使用寿命会降低科研生产成本。
413 向集成化方向发展温度传感器的集成化是实现其小型化、智能化和多功能化的重要保证,随着微电子技术的不断发展,许多国家已将感温元件、补偿电路、放大电路、处理元件等集中在同一芯片上,甚至将多个传感器集中在一个芯片上,以实现功能与数据处理一体化。
414 向小型化、微型化方向发展体积大的温度传感器使用起来不方便,也会对制作材料造成浪费。
微型温度传感器可满足特殊场合的使用要求,降低加工制作成本。
与此相对应,国际上小型温度传感器普遍发展,如日本研制的极细型热电偶,封装后的外径只有0125mm。
415 向智能化方向发展传统温度传感器的概念已从单纯的测量温度用的敏感元件发展为以温度传感器为基础的测量系统,即在集成化的基础上,具有信号测量、处理、存储、误差与自诊断能力,扩大了应用范围,增强抗干扰能力,便于与计算机通讯。
416 从传统材料向新材料发展温度传感器的设计都是利用一些材料的物理、化学性能随温度变化的规律来进行。
因此,为了研制出新型温度传感器,还需要研制新材料,发现其新效应、新现象,以满足新产品的设计要求。