靜水壓力變化對(duì)NTC 熱敏電阻器電學(xué)特性影響*

劉遵京 王軍華 湯新強(qiáng) 霍 鵬劉 熠 姚金城① 常愛(ài)民

(1. 中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆烏魯木齊 830000; 2. 新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆烏魯木齊 830000; 3. 中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 新疆烏魯木齊 830000; 4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院北京 100000)

負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient, NTC)熱敏電阻器是一種對(duì)溫度敏感的無(wú)源半導(dǎo)體, 電阻值隨溫度升高而呈指數(shù)下降, 具有堅(jiān)固性強(qiáng)、可遠(yuǎn)程測(cè)量、響應(yīng)快、尺寸小、穩(wěn)定性好, 特別是在窄溫區(qū)范圍內(nèi)具有極高的靈敏度等優(yōu)點(diǎn), 作為溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于海洋溫度的測(cè)量(Feteiraet al, 2010;Wanget al, 2019; Liet al, 2021)。海洋溫度在海洋水文要素中十分重要, 海洋熱含量的變化, 海洋環(huán)流、大氣和地球表面溫度等的變化都可由海洋溫度評(píng)估(Abrahamet al, 2013), 因此對(duì)海洋溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量有著重要意義。據(jù)預(yù)測(cè), 全球海洋的平均溫度變化約 1.5 mK/a, 其中海平面至 700 m 變化約 8 mK(Wunsch, 2016), 對(duì)溫度傳感器的測(cè)量精度提出了高要求。目前主流使用的溫度傳感器為海鳥(niǎo)電子公司SBE 3 型溫度傳感器, 其測(cè)量精度為1 mK, 但海洋中固有的高靜水壓力梯度(100 m/MPa)會(huì)對(duì)溫度傳感器的溫度示值造成不同程度的偏差, 即溫度傳感器存在壓力效應(yīng)(朱光文, 1983), 隨著壓力的升高逐漸顯著, 整體呈現(xiàn)線性關(guān)系。60 MPa(海洋深度6 000 m 處的壓力值)造成最高約4 mK 的測(cè)溫偏差(Uchidaet al,2007; Peruzziet al, 2017; Jounget al, 2020), 在淺海應(yīng)用中通常將其忽略, 但隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展, 深海應(yīng)用中要求的測(cè)量精度不斷提高, 壓力效應(yīng)的作用愈發(fā)顯著。因此, 溫度傳感器壓力效應(yīng)的深入研究十分必要。

溫度傳感器示值, 由特定的阻溫轉(zhuǎn)換方程描述,這與內(nèi)部NTC 熱敏電阻器的電學(xué)特性直接相關(guān)。對(duì)于熱敏電阻器測(cè)溫精度的研究已經(jīng)進(jìn)行了許多報(bào)道,比如溫度對(duì)穩(wěn)定性的影響(Lawtonet al, 2001, 2002;Dumciuset al, 2014)、工藝對(duì)靈敏度的影響(Kulkarniet al, 2015; Wanget al, 2020)、阻溫轉(zhuǎn)換方程對(duì)精度的影響(Chen, 2009; Liuet al, 2018)等。但是靜水壓力對(duì)熱敏電阻器電學(xué)特性的影響卻鮮有報(bào)道。海洋儀器研究所指出, NTC 熱敏電阻器在高靜水壓下其電學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生永久性變化(海洋儀器研究所二室溫度組, 1978), 但高靜水壓對(duì)器件的影響規(guī)律并沒(méi)有詳細(xì)介紹。

本文通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中搭建的海洋環(huán)境高壓模擬器, 模擬海洋的溫度和靜水壓力梯度特性, 研究了固定環(huán)境溫度、不同靜水壓力作用下玻璃珠狀NTC 熱敏電阻器的電學(xué)特性, 希望為高精度的深海溫度測(cè)量提供依據(jù), 推動(dòng)NTC 熱敏電阻器在海洋領(lǐng)域中應(yīng)用的最大化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)器件

NTC 熱敏電阻器的主要性能參數(shù)有材料常數(shù)B、電阻值漂移率ΔR/R0、電阻溫度系數(shù)α。B值描述溫度敏感度, 一般為2 000～5 000 K; ΔR/R0值表示器件穩(wěn)定性(Maet al, 2014; Wanget al, 2021);αT值為溫度變化1 °C, 電阻值的變化率, 25 °C 時(shí)的電阻溫度系數(shù)α25通常為-2%/°C～-6%/°C (Feteira, 2009), 可由公式(1)進(jìn)行計(jì)算,

其中,R和B分別為絕對(duì)溫度T下的電阻值和材料常數(shù); dR為溫度變化dT下電阻值變化量。

Hoge-2 方程(Liuet al, 2018)是描述海洋應(yīng)用NTC熱敏電阻器電阻值與溫度關(guān)系相對(duì)理想的擬合模型。電阻值RT, 獲取溫度T時(shí), 該方程形式為(Hoge, 1988)

其中A0,A1,A2和A3為器件的擬合系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試器件為美國(guó)Amphenol Advanced Sensor P85 型熱敏電阻器, 25 °C 時(shí)的電阻溫度系數(shù)α0≈-5.2%/°C, α25≈-4.5%/°C, 其中一支設(shè)置為參考熱敏電阻器, 其電阻值用Rr表示, 主要參數(shù)值如表1 所示。

表1 參考熱敏電阻器主要參數(shù)Tab.1 Parameters of reference thermistor

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室中海洋環(huán)境高壓模擬裝置可劃分為4 個(gè)功能模塊(圖1)。

圖1 海洋環(huán)境高壓模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic of high-pressure simulator for ocean environment

1.2.1 溫度控制 湖州宇騰機(jī)電有限公司的RTS系列低溫恒溫槽, 溫度范圍263.15～323.15 K, 穩(wěn)定性優(yōu)于±0.01 K/30 min, 均勻性優(yōu)于±0.01 K, 提供均勻穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集 美國(guó)安捷倫科技有限公司的34970A 數(shù)據(jù)采集器, 測(cè)量精度: 讀數(shù)×0.008%+量程×0.001%, 固定時(shí)間間隔持續(xù)采集電阻值, 計(jì)算機(jī)軟件直接獲取數(shù)據(jù)。

1.2.3 壓力控制 由江蘇普斯特儀表科技有限公司的活塞式壓力計(jì)與四川杰特機(jī)器有限公司的手動(dòng)試驗(yàn)泵組成, 可最高產(chǎn)生的靜水壓力為125 MPa, 準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.02%。

1.2.4 壓力容器 自主設(shè)計(jì)的壓力容器提供一個(gè)可承受高靜水壓力的測(cè)試環(huán)境, 是由316 不銹鋼制成的圓柱體, 外徑155 mm, 高266 mm。其底部設(shè)計(jì)有壓力管接口與活塞壓力計(jì)連通; 頂部設(shè)計(jì)有相鄰的水密連接器與溫度計(jì)阱, 可實(shí)現(xiàn)無(wú)壓條件下監(jiān)測(cè)容器內(nèi)部環(huán)境溫度的變化。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

設(shè)置恒溫油槽溫度為測(cè)試溫度點(diǎn), 水密連接器內(nèi)端采用兩線法焊接測(cè)試器件, 外端均采用四線法與數(shù)據(jù)采集器焊接。參考熱敏電阻器插入溫度計(jì)阱的底部, 計(jì)算機(jī)軟件控制(采集間隔為5 s)實(shí)時(shí)同步采集器件的電阻值, 參考熱敏電阻器的電阻值持續(xù)10 min 的波動(dòng), 壓力容器內(nèi)部溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定, 將系統(tǒng)壓力提升至測(cè)試壓力點(diǎn)。

25 °C 和0 °C 溫度點(diǎn)下, 分別測(cè)試0～60 MPa 逐步升壓、60～0 MPa 逐步降壓, 步長(zhǎng)5 MPa 的器件阻值。

25 °C 溫度點(diǎn)下, 測(cè)試0～60 MPa, 間隔10 MPa,直接由0 MPa 升壓到壓力點(diǎn), 然后直接泄壓到0 MPa的器件阻值。

25 °C 溫度點(diǎn)下, 測(cè)試0 MPa 直接升壓到60 MPa,恒壓1 周后泄壓到0 MPa 的器件阻值。

2 結(jié)果與分析

2.1 升壓過(guò)程

在25 °C 下20 MPa 升壓至25 MPa(其余升壓過(guò)程的變化曲線均相似)后測(cè)試器件1 與參考器件電阻值(R)隨時(shí)間(t)的變化曲線(圖2)表明,t0時(shí)刻升壓后參考器件和測(cè)試器件電阻值先迅速減小再逐漸增加,整個(gè)壓力作用過(guò)程可劃分為3 個(gè)階段, 升壓前穩(wěn)定階段I、升壓后初始階段II、升壓后穩(wěn)定階段III。

圖2 25 °C 下20 MPa 升壓至25 MPa 后測(cè)試器件1 與參考器件電阻值隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Temporal variation in resistance value of test device 1 vs reference thermistor after being pressurized from 20 MPa to 25 MPa at 25 °C

階段I,t0時(shí)刻前, 電阻值保持動(dòng)態(tài)平衡; 階段II,t0～t1時(shí)刻間, 電阻值迅速減小然后逐漸上升, 這是由于不銹鋼材料具有良好的絕熱特性, 壓力容器在短時(shí)間內(nèi)可等效為理想絕熱容器, 升壓過(guò)程符合熱力學(xué)定律中的絕熱壓縮, 升高壓力所需的功轉(zhuǎn)化為傳輸液體內(nèi)能, 壓力容器中的溫度迅速升高, 即壓力傳輸液存在壓力效應(yīng)(朱光文, 1983); 隨后, 由于熱交換的存在, 溫度緩慢下降。階段III,t1時(shí)刻后, 電阻值恢復(fù)至動(dòng)態(tài)平衡。參考熱敏電阻器的電阻值與測(cè)試器件的電阻值, 存在延遲變化與幅度偏差等, 是因?yàn)楹銣赜筒劢橘|(zhì)、壓力傳輸液和不銹鋼材料的熱阻導(dǎo)致的傳輸延遲與熱損耗等現(xiàn)象, 因此, 參考熱敏電阻器可以反應(yīng)出測(cè)試樣品的環(huán)境溫度變化。

2.2 降壓過(guò)程

圖3 所示為25 °C 下50 MPa 降壓至45 MPa(其余降壓過(guò)程的變化曲線均相似)后測(cè)試器件1 與參考器件電阻值(R)隨時(shí)間(t)的變化曲線。由圖3 可知,t2時(shí)刻降壓后參考熱敏電阻器和測(cè)試器件電阻值先迅速上升再逐漸下降, 整個(gè)壓力作用過(guò)程可劃分為三個(gè)階段, 降壓前穩(wěn)定階段I、降壓后初始階段II、降壓后穩(wěn)定階段III。

圖3 25 °C 下50 MPa 降壓至45 MPa 后測(cè)試器件1 與參考器件電阻值隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Temporal variation in resistance of device 1 and reference thermistor after pressure drop from 50 to 45 MPa at 25 °C

階段I,t2時(shí)刻前, 電阻值保持動(dòng)態(tài)平衡; 階段II,t2～t3時(shí)刻間, 電阻值迅速增大然后逐漸減小, 這是由于不銹鋼材料具有良好的絕熱特性, 壓力容器在短時(shí)間內(nèi)可等效為理想絕熱容器, 降壓過(guò)程符合熱力學(xué)定律中的絕熱膨脹, 傳輸液體的內(nèi)能將作為壓力能釋放, 壓力容器中的溫度迅速降低; 隨后, 由于熱交換的存在, 溫度緩慢上升。階段III,t3時(shí)刻后, 電阻值恢復(fù)至動(dòng)態(tài)平衡。

2.3 電學(xué)特性

階段III 中, 連續(xù)選取至少30 個(gè)電阻值點(diǎn), 計(jì)算其平均值為測(cè)試壓力點(diǎn)下NTC 熱敏電阻器的電阻值;不同測(cè)試壓力下的環(huán)境溫度, 由參考熱敏電阻器的電阻值通過(guò)公式(2)轉(zhuǎn)換。

25 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與環(huán)境溫度差(表2)顯示, 隨著測(cè)試壓力逐步增大, 測(cè)試器件的電阻值逐漸降低; 而測(cè)試壓力逐步減小時(shí), 測(cè)試器件的電阻值逐漸升高。但參考器件的電阻值卻呈現(xiàn)波動(dòng), 轉(zhuǎn)換為環(huán)境溫度后波動(dòng)范圍為-21.15～9.63 mK。這表明在不同的測(cè)試壓力中, 測(cè)試器件的電阻值由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而存在偏差, 為盡可能提高測(cè)試精度, 需對(duì)測(cè)試器件的電阻值進(jìn)行校正。同一器件,修正后的電阻值Rp′由公式(3)計(jì)算,

表2 25 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與環(huán)境溫度差Tab.2 The resistance of devices and environmental temperature difference under different pressures at 25 °C

其中,Rp和ΔTp分別為測(cè)試壓力為p時(shí)的電阻值、相對(duì)于無(wú)壓的環(huán)境溫度偏差量;α為電阻溫度系數(shù);R0為無(wú)壓下器件的電阻值。

修正后25 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與漂移率(表3)顯示, 當(dāng)測(cè)試壓力逐步增大時(shí), 測(cè)試器件的電阻值逐漸降低; 而測(cè)試壓力逐步減小時(shí), 測(cè)試器件的電阻值逐漸升高; 表明25 °C 下靜水壓力造成的器件溫度漂移高于環(huán)境溫度偏差。60 MPa 下電阻值的漂移率為-1.82%～-2.81%, 等效于溫度偏差0.404～0.624 °C; 5 MPa 下電阻值的漂移率為-0.11%～-0.28%, 溫度偏差為0.024～0.062 °C。相同測(cè)試壓力下阻值漂移率的絕對(duì)值, 降壓均比升壓高; 泄壓后,電阻值均表現(xiàn)出不同程度的漂移; 說(shuō)明靜水壓力會(huì)對(duì)器件造成永久性變化。

表3 修正后25 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與漂移率Tab.3 Resistance of devices and drift rate under different pressures at 25°C after correction

表4 所示為0 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與環(huán)境溫度差?？梢钥吹? 測(cè)試器件的電阻值隨著測(cè)試壓力的逐步增大而逐漸降低, 隨測(cè)試壓力的逐步減小而逐漸升高。參考器件的電阻值呈現(xiàn)波動(dòng), 轉(zhuǎn)換為環(huán)境溫度后波動(dòng)范圍為-17.15 ～ 49.02 mK。

表4 0 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與環(huán)境溫度差Tab.4 Resistance of devices and environmental temperature difference under different pressures at 0 °C

表5 所示為修正后0 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與漂移率。由表5 可知, 測(cè)試器件的電阻值仍然隨測(cè)試壓力的逐步增大而逐漸降低, 隨測(cè)試壓力的逐步減小而逐漸升高; 表明0 °C 下靜水壓力造成的器件溫度漂移也高于環(huán)境溫度偏差。60 MPa 下電阻值的漂移率為-2.06%～-2.78%, 等效于溫度偏差0.396～0.535 °C; 5 MPa 下電阻值漂移率為-0.19%～-0.38%, 溫度偏差0.036～0.073 °C。相同測(cè)試壓力下阻值漂移率的絕對(duì)值, 絕大部分降壓相比升壓高; 泄壓后, 電阻值均表現(xiàn)出不同程度的漂移; 說(shuō)明靜水壓力對(duì)器件造成永久性變化并不是絕對(duì)的。

表5 修正后0 °C 下不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與漂移率Tab.5 Resistance of devices and drift rate under different pressures at 0°C after correction

續(xù)表

表6 所示為不同壓力梯度下NTC 熱敏電阻器的測(cè)溫偏差?？梢钥吹? 不同溫度下的測(cè)溫偏差, 都隨著壓力梯度的增大, 呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。同等條件下,不同器件的測(cè)溫偏差存在較大差異。

表6 不同壓力梯度下NTC 熱敏電阻器的測(cè)溫偏差Tab.6 The bias of temperature measurement of NTC thermistor under different pressure gradients

表7 所示為25 °C 下直接升泄壓的不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與環(huán)境溫度差?？梢钥吹? 參考熱敏電阻器電阻值呈現(xiàn)波動(dòng), 轉(zhuǎn)換為環(huán)境溫度后波動(dòng)范圍為-65.03～1.48 mK。0 MPa 升壓到測(cè)試壓力點(diǎn), 器件阻值都會(huì)減小; 壓力測(cè)試點(diǎn)泄壓至0 MPa 后, 器件阻值都會(huì)增大; 不同的測(cè)試壓力點(diǎn), 器件的阻值隨著壓力值的增大而減小。漂移率相比步進(jìn)升降壓的變壓方式相差約0.1%。因此, 變壓方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不顯著。

表7 25 °C 下直接升泄壓的不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與環(huán)境溫度差Tab.7 Resistance of devices and environmental temperature difference under different pressures in direct pressure rise and release at 25 °C

表8 修正后25 °C 下直接升泄壓的不同測(cè)試壓力中器件的電阻值與漂移率Tab.8 The corrected resistance value and drift rate of devices under different pressures for direct pressure rise and relief at 25 °C

表9 為NTC 熱敏電阻器在60 MPa 穩(wěn)壓一周(168 h)前后的電阻值與漂移率?？梢钥吹? 壓力作用前后電阻值產(chǎn)生了0.02%～0.03%的正向偏移。

表9 NTC 熱敏電阻器在60 MPa 穩(wěn)壓一周(168 h)前后的電阻值(單位: Ω)與漂移率(單位: %)Tab.9 Resistance and drift rate of NTC thermistor before and after one week (168 hours) of constant pressure at 60 MPa

針對(duì)上述現(xiàn)象, 可能是高靜水壓影響了器件內(nèi)部陶瓷的相結(jié)構(gòu)。由于高壓會(huì)對(duì)陶瓷相變產(chǎn)生非常顯著的變化(Hachigaet al, 1986, 1987), 即使NTC 陶瓷熱敏電阻的陶瓷敏感體經(jīng)由玻璃封裝保護(hù), 高靜水壓力仍然會(huì)對(duì)陶瓷產(chǎn)生影響, 相的微變?cè)斐闪穗娮柚档钠片F(xiàn)象。

3 結(jié)論

分別測(cè)試了25 °C 和0 °C 恒溫環(huán)境下, 0～60 MPa,步長(zhǎng)5 MPa 的靜水壓力與NTC 熱敏電阻器電阻值的變化關(guān)系。初步研究表明: NTC 熱敏電阻器的電阻值隨壓力的增大而減小, 不同壓力變化方式之間產(chǎn)生約0.1%的偏差; 在25 °C 和0 °C 溫度點(diǎn), 60 MPa 下電阻值的漂移率分別為-1.82%～-2.81%、-2.06%～-2.78%,轉(zhuǎn)換為溫度后測(cè)溫偏差分別為 0.404～0.624 °C、0.396～0.535 °C, 5 MPa 下電阻值漂移率分別為-0.11～-0.28%、-0.19～-0.38%, 測(cè)溫偏差分別為 0.024～0.062 °C、0.036～0.073 °C。因此, 盡管NTC 熱敏電阻器應(yīng)用于海洋溫度測(cè)量時(shí)會(huì)進(jìn)行鎧裝保護(hù), 但在深海應(yīng)用中靜水壓力的作用不可忽略; 對(duì)壓力效應(yīng)的探究, 有利于NTC 熱敏電阻器更好的在高壓測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用; 同時(shí)更高的壓力、更多數(shù)量的不同材料、結(jié)構(gòu)、工藝的NTC 熱敏電阻器的壓力效應(yīng)仍需進(jìn)一步研究。