Analiza osetljivosti debeloslojnih NTC termistora na promene temperature i protoka vazduha

Abstract

NTC termistori na bazi Mn, Ni, Co i Fe oksida za potrebe debeloslojnih senzora pripadaju oblasti istraživačkog i primenjenog rada sa ciljem realizacije senzora prilagođenih po obliku, prenosu toplote i brzini odziva fizičkim veličinama koje treba da mere. Tako npr. brzi senzori temperature zahtevaju konstrukcije debeloslojnih termistora što manje debljine i podloge koje slabo provode toplotu: inercija tih senzora se može smanjiti smanjenjem dimenzija debelih slojeva kao i smanjenjem debljine podloge. Sa druge strane, potrebno je u primeni koristiti NTC paste sa različitom veličinom NTC parametra B, tj. temperaturne zavisnosti otpornosti termistora od temperature, od linearnih do brzorastućih eksponencijalnih. Da bi se ovakvi specifični zahtevi za materijalima i prilagođenim konstrukcijama realizovali, potrebno je dublje poznavanje (Mn, Ni, Co, Fe, Cu)3O4 kompleksnog spinela i faznog dijagrama nastanka ovog materijala. Pored toga, neophodno je stalno merenje i kontrola parametara sinterovanja i njihovo povezivanje sa elektronskim svojstvima dobijenog materijala. Kod debelih slojeva koji imaju elektrode na bazi PdAg ili drugih metala koji se koriste kao elektrode potrebno je pratiti proces difuzije tog metala kroz površinu termistorskog debelog sloja na koju se elektroda nanosi. Na kraju, radi primene novodobijenih namenskih termistorskih debeloslojnih naprava, potrebno je izvršiti električna i klimomehanička merenja dobijenih senzora. Izrada debeloslojnih senzora zahteva kompletan multidisciplinarni pristup, počev od fizičke hemije, fizičke elektronike materijala, posebno sinterovanja, do merenja termičkih i električnih svojstava i njihove primene u elektronici. U ovoj tezi upravo je prikazan kompletan ciklus istraživanja, sinteza i karakterizacija praha, formiranje paste, optimizacija uslova sinterovanja (vreme i temperatura) koja je vršena u svrhu primene termistorskog materijala za merač protoka vazduha. Na bazi segmentiranog termistora koji osim glavnih ima interne elektrode i koji je u osnovi višećelijska konstrukcija, realizovan je poseban namenski tip senzora za merenje temperature i protoka vazduha. Analizirana je brzina odziva za dva tipa senzora sa indirektnim i sopstvenim zagrevanjem i date su krive baždarenja odnosno promene električnih svojstava, kao što su napon i struja kroz termistor u odnosu na kvazistatičke i brze promene protoka. Teza je podeljena u pet osnovnih delova. Posle uvoda, dat je teorijski deo. U njemu su data osnovna toplotna i električna svojstva NTC termistora kao što su mehanizam provođenja, zavisnost otpornosti od temperature, vreme odziva termistora, toplotna svojstva, starenje termistora i dr. Odmah zatim, data je građa NTC termistora i fazni dijagrami nastanka (Mn, Ni, Co, Fe, Cu)3O4 kompleksnog spinela. Sinterovanje NTC termistora obuhvatilo je profile sinterovanja, kao i uticaj dopanata na otpornosti. Tehnika izrade debelih slojeva prikazana je kroz sledeće postupke i procese: pravljenje paste i podloge u tehnici debelih slojeva, štampanje i sušenje paste, potom sinterovanje debelih slojeva i njihova mikrostuktura. Primena NTC termistora data je u merenju temperature, merenju protoka, vlage, zatim u kolima za kašnjenje, kao i u zaštiti u elektronici. U eksperimentalnom delu, dat je prikaz sinteze NTC praha koja uključuje mešanje oksida, kalcinaciju, mlevenje i na kraju presovanje i sinterovanje. Karakterizacija termistorskog praha na dobijenim isprescima izvršena je raznim fizičko hemijskim metodama (skanirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM), elektronskom disperzionom spektroskopijom (EDS), dalekom infracrvenom spektroskopijom (FTIR), fotoakustičnom metodom (PA) i rendgenostrukturnom analizom. Posebno su opisani segmentirani debeloslojni NTC termistori, njihova građa, i UI karakteristika. Kao prikaz potpune aplikacije ovih senzora, realizovan je namenski napravljen senzor protoka vazduha sa segmentiranim NTC termistorom, u kome je data metoda sa indirektnim zagrevanjem, metoda sa sopstvenim zagrevanjem konstantnim strujama, merenje temperature ovim senzorom i merenje vremenskog odziva sistema. U diskusiji dobijenih rezultata data su objašnjenja svih metoda koje su korišćene u karakterizaciji samog materijala, zatim je data analiza radnih tačaka i radnog režima segmentiranog NTC termistora i uporedna analiza metoda za merenje protoka kao i uporedna analiza inercije sistema obe gore navedene metode. Na kraju je dat zaključak i korišćena literatura.