RU2013814C1

RU2013814C1 - Temperature sensor

Info

Publication number: RU2013814C1
Authority: RU
Inventors: Н.Т. Дехтярук; Л.Н. Ганюк; С.В. Ильчишина; А.Н. Иноземцев; В.М. Огенко
Original assignee: Институт химии поверхности АН Украины
Priority date: 1991-02-06
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: thermometry, cryogenic engineering. SUBSTANCE: temperature sensor includes layer of thermosensitive material from polypyrol with specific resistance 0.045 ohm. cm positioned on surface of measured object and electric contacts located on layer of thermosensitive material. Surface of measured object is used as one of electric contacts. Specific resistance of material of measured object is by an order of magnitude lower than specific resistance of thermosensitive material. Working range of temperature sensor is from 300 to 1.5 K. EFFECT: enhanced reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к термометрии, а именно к датчику температуры, и может быть использовано в криогенной технике: криоэлектронике, криоэлектротехнике, криомедицине, а также в других отраслях народного хозяйства, где необходимо измерение низких температур. The invention relates to thermometry, namely to a temperature sensor, and can be used in cryogenic technology: cryoelectronics, cryoelectronics, cryomedicine, as well as in other sectors of the economy where low temperature measurements are necessary.

Широко известны криогенные термометры сопротивления на основе полупроводниковых материалов (М. П. Орлова, О. Ф. Погорелова, С. А. Улыбин. Низкотемпературная термометрия. М. , Энергоатомиздат, 1987, с. 280), которые обладают высокой термочувствительностью. Они могут быть достаточно миниатюрными и содержать чувствительный элемент как в виде объемного тела, так и в виде пленок. Для создания термочувствительных элементов датчиков температуры используются такие полупроводники, как Ge, Si, InSb, CdSb и др. С помощью специального легирования удается снизить магнитосопротивление полупроводниковых термометров и тем самым повысить точность измерения в неконтролируемых внешних магнитных полях. Однако при создании классических полупроводниковых термометров приходится использовать сложную технологию легирования, особенно для наиболее низкотемпературных и широкодиапазонных датчиков. Кроме того, полупроводниковые термочувствительные элементы являются хрупкими объектами, вследствие чего возникает потребность в специальной их корпусировке, что ограничивает их применение. Пленочные датчики требуют использования специальных подложек, что усложняет технологию их изготовления, вносит дополнительные трудности, связанные с закреплением датчика на измеряемом объекте, и, как правило, дает в результате ухудшение таких, например, характеристик, как воспроизводимость, термочувствительность, точность измерения температуры. Интервал измеряемых температур для датчиков на основе упомянутых полупроводниковых материалов ограничен и не охватывает полностью весь диапазон 1,5-300 К. Cryogenic resistance thermometers based on semiconductor materials (M. P. Orlova, O. F. Pogorelova, S. A. Ulybin. Low-temperature thermometry. M., Energoatomizdat, 1987, p. 280) are widely known, which have high thermal sensitivity. They can be quite miniature and contain a sensitive element both in the form of a volumetric body and in the form of films. Semiconductors such as Ge, Si, InSb, CdSb, etc. are used to create thermosensitive elements of temperature sensors. Using special alloying, it is possible to reduce the magnetoresistance of semiconductor thermometers and thereby increase the accuracy of measurements in uncontrolled external magnetic fields. However, when creating classic semiconductor thermometers, it is necessary to use sophisticated alloying technology, especially for the most low-temperature and wide-range sensors. In addition, semiconductor heat-sensitive elements are fragile objects, as a result of which there is a need for their special packaging, which limits their application. Film sensors require the use of special substrates, which complicates the technology of their manufacture, introduces additional difficulties associated with mounting the sensor on the measured object, and, as a rule, results in deterioration of, for example, characteristics such as reproducibility, thermal sensitivity, and accuracy of temperature measurement. The range of measured temperatures for sensors based on the aforementioned semiconductor materials is limited and does not completely cover the entire range of 1.5-300 K.

Известны также термометры сопротивления, в которых чувствительные элементы выполнены из неполупроводниковых материалов: например, из двуокиси олова, легированного сурьмой в количестве 60 мол. % для измерения низких температур 1,5-300 К (авт. св. N 298839, кл. G 01 K 7/10, 1971); или из термически обработанного стеклоуглерода в форме пластинки, контакты которого выполнены из последовательно нанесенных слоев хрома, золота в виде узких полос на противоположных широких гранях чувствительного элемента (авт. св. СССР N 325516, кл. G 01 K 7/16, 1972); или в виде ленты или тонкой пластинки из некристаллического сплава 80-50 ат. % Са и 120-45 ат. % Al, лента имеет длину не более 100 мм, ширину 0,2-2 мм и толщину не более 100 мкм, изготовлена путем отверждения в результате резкого охлаждения расплава, область измеряемых температур 1,5-373 К (заявка Японии N 63-59084, кл. G 01 K 7/16). Resistance thermometers are also known in which sensitive elements are made of non-semiconductor materials: for example, from tin dioxide doped with antimony in an amount of 60 mol. % for measuring low temperatures of 1.5-300 K (ed. St. N 298839, class G 01 K 7/10, 1971); or from heat-treated glassy carbon in the form of a plate, the contacts of which are made of successively deposited layers of chromium, gold in the form of narrow strips on opposite wide faces of the sensing element (ed. St. USSR N 325516, class G 01 K 7/16, 1972); or in the form of a tape or thin plate of a non-crystalline alloy of 80-50 at. % Ca and 120-45 at. % Al, the tape has a length of not more than 100 mm, a width of 0.2-2 mm and a thickness of not more than 100 μm, made by curing as a result of abrupt cooling of the melt, the measured temperature range is 1.5-373 K (Japanese application N 63-59084 Cl. G 01 K 7/16).

Все вышеуказанные датчики температуры, наряду с ранее отмеченными недостатками, обладают еще одним существенным недостатком, заключающимся в том, что ими невозможно проводить измерение температуры объектов, имеющих различную объемную конфигурацию, например труднодоступные места на исследуемом объекте, и неоднородное распределение температур. Тепловые эффекты, возникающие на контактах датчиков с измеряемым объектом, существенно влияют на точность измерения его температуры, так как они помещаются на поверхность измеряемого объекта с помощью промежуточного слоя, например клея. Поэтому, вследствие плохого теплового контакта между датчиком температуры и измеряемым объектом (плохим теплообменом между ними), точность известных датчиков при измерении низких температур недостаточна. Повышение точности требует разработки специальных измерительных устройств, исключающих различные погрешности, возникающие в процессе измерения. All of the above temperature sensors, along with the previously noted drawbacks, have another significant drawback, namely, that it is impossible to measure the temperature of objects with different volume configurations, for example, hard-to-reach places on the studied object, and non-uniform temperature distribution. Thermal effects that occur at the contacts of the sensors with the measured object significantly affect the accuracy of measuring its temperature, since they are placed on the surface of the measured object using an intermediate layer, such as glue. Therefore, due to poor thermal contact between the temperature sensor and the measured object (poor heat transfer between them), the accuracy of the known sensors when measuring low temperatures is insufficient. Improving accuracy requires the development of special measuring devices that exclude various errors that occur during the measurement process.

Известен также датчик температуры, выполненный на основе органических полупроводниковых материалов, содержащих термочувствительный элемент и электрические выводы (авт. св. N 294874, кл. G 01 K 7/16, 1971). В нем чувствительный элемент выполнен на основе низкомолекулярных ион-радикальных солей тетрацианхинондиметана, в молекулу которого введен либо катион бисчетвертичного основания, например дихинолиния и фенантролиния, либо катион щелочного металла, а также до 25 мас. % галогена, например иода, или до 25 мас. % нейтрального тетрацианхинондиметана. Недостатки этого датчика заключаются в том, что его невозможно использовать при измерении низких температур, нельзя повысить точность измерения температуры, невозможно применение его для измерения температуры в различных точках поверхности измеряемых объектов, находящихся в магнитном поле и имеющих произвольную сложную конфигурацию и неоднородное распределение температуры по поверхности. Also known is a temperature sensor made on the basis of organic semiconductor materials containing a thermosensitive element and electrical leads (ed. St. N 294874, class G 01 K 7/16, 1971). In it, the sensitive element is made on the basis of low molecular weight radical ion salts of tetracyanquinone dimethane, into the molecule of which either a cation of a bis-quaternary base, for example, dichinoline and phenanthroline, or an alkali metal cation, and up to 25 wt. % halogen, such as iodine, or up to 25 wt. % neutral tetracyanquinondimethane. The disadvantages of this sensor are that it cannot be used when measuring low temperatures, it is impossible to increase the accuracy of temperature measurement, it cannot be used to measure temperature at various points on the surface of measured objects located in a magnetic field and having an arbitrary complex configuration and an inhomogeneous temperature distribution over the surface .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является датчик температуры, содержащий слой термочувствительного материала, расположенного непосредственно на поверхности измеряемого объекта, и электрические контакты (Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1984, в. 5 (110) с. 46). В качестве материала термочувствительного слоя используется никель. Недостаток этих датчиков заключается в том, что ими невозможно производить измерение температур в области низких температур, ниже 208 К. The closest in technical essence to the proposed technical solution is a temperature sensor containing a layer of thermosensitive material located directly on the surface of the measured object, and electrical contacts (Electronic technology. Ser. 8. Quality management, standardization, metrology, testing, 1984, 5 (110) p. 46). Nickel is used as the material of the heat-sensitive layer. The disadvantage of these sensors is that it is impossible to measure temperatures in the region of low temperatures below 208 K.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых температур в область низких температур и повышение температурного коэффициента сопротивления. The purpose of the invention is the expansion of the range of measured temperatures in the region of low temperatures and increase the temperature coefficient of resistance.

Цель достигается тем, что в датчике температуры, содержащем слой термочувствительного материала, размещенного на поверхности измеряемого объекта, и электрические контакты, расположенные на слое термочувствительного материала, в качестве термочувствительного материала использован полипиррол состава С₄Н₃N (C₇H₇O₃S0)_0,10-0,30 с удельным сопротивлением 0,045 Ом . см, а в качестве одного из электрических контактов использована поверхность измеряемого объекта, причем удельное сопротивление материала измеряемого объекта на порядок ниже удельного сопротивления термочувствительного материала.The goal is achieved by the fact that in a temperature sensor containing a layer of heat-sensitive material placed on the surface of the measured object, and electrical contacts located on the layer of heat-sensitive material, polypyrrole composition С ₄ Н ₃ N (C ₇ H ₇ O ₃ S0 is used as a heat-sensitive material ) _0.10-0.30 with a specific resistance of 0.045 Ohms. cm, and the surface of the measured object was used as one of the electrical contacts, and the specific resistance of the material of the measured object is an order of magnitude lower than the specific resistance of the heat-sensitive material.

На фиг. 1 представлено схематическое выполнение датчика температуры; на фиг. 2 - график зависимости сопротивления от температуры для интервала от 300 до 1,5 К; на фиг. 3 - относительное изменение сопротивления в поперечном и продольном магнитном поле при 4,2 К (кривые 4 и 5 соответственно). In FIG. 1 is a schematic illustration of a temperature sensor; in FIG. 2 is a graph of resistance versus temperature for an interval from 300 to 1.5 K; in FIG. 3 - relative change in resistance in a transverse and longitudinal magnetic field at 4.2 K (curves 4 and 5, respectively).

Датчик температуры содержит чувствительный элемент 1, расположенный непосредственно на измеряемом объекте, который одновременно является электрическим контактом 2, второй электрический контакт 3 расположен на чувствительном элементе 1, который выполнен из пленки полипиррола. The temperature sensor contains a sensing element 1 located directly on the measured object, which is also an electrical contact 2, the second electrical contact 3 is located on the sensing element 1, which is made of a polypyrrole film.

Удельное сопротивление материала измеряемого объекта должно быть на порядок ниже удельного сопротивления материала чувствительного элемента 1. Погрешность определения температуры, вносимая удельным сопротивлением материала измеряемого объекта 2, несущественна, так как чувствительный элемент датчика температуры контактирует непосредственно с поверхностью измеряемого объекта и в нем отсутствует слой вещества, с помощью которого датчики обычно крепятся к поверхности измеряемого объекта и существенно влияют на упомянутый параметр. В зависимости от того, в каких точках исследуемого объекта необходимо произвести измерение температуры, на него наносят соответствующее число датчиков, при этом датчики могут быть как угодно малого размера. Количество датчиков температуры и места их расположения на измеряемом объекте, имеющем неоднородное распределение температуры и какой угодно сложный рельеф, практически не ограничено. Более высокая точность определения температуры предлагаемым датчиком по сравнению с ранее известными обеспечена оригинальным выполнением конструкции, в которой чувствительный элемент выполнен непосредственно на поверхности измеряемого объекта, являющегося одновременно и электрическим контактом. The specific resistance of the material of the measured object should be an order of magnitude lower than the specific resistance of the material of the sensitive element 1. The error in determining the temperature introduced by the specific resistance of the material of the measured object 2 is insignificant, since the sensitive element of the temperature sensor is in direct contact with the surface of the measured object and there is no substance layer in it, with the help of which the sensors are usually attached to the surface of the measured object and significantly affect the mentioned parameter. Depending on what points of the object under study it is necessary to take a temperature measurement, the corresponding number of sensors is applied to it, while the sensors can be of any small size. The number of temperature sensors and their location on the measured object having a non-uniform temperature distribution and any complex relief is practically unlimited. A higher accuracy in determining the temperature of the proposed sensor compared to previously known is provided by the original design, in which the sensitive element is made directly on the surface of the measured object, which is also an electrical contact.

В качестве термочувствительного материала датчика использован полипиррол с удельным сопротивлением 0,045 Ом . см. Пленки полипиррола получены методом электрической анодной полимеризации исходного мономера пиррола. Образующийся полимер представляется формулой С₄Н₃N (C₇H₇O₃S)_0,10-0,30. Процесс полимеризации проводят в среде полярного органического растворителя ацетонитрила при комнатной температуре и нормальном давлении. Для придания раствору электропроводности в качестве фонового электролита используют натриевые соли ароматических сульфокислот бензольного ряда, например п-толуолсульфонат натрия. Исходная концентрация пиррола и фонового электролита в ацетонитриле находится в пределах 0,02-0,2 моль/л.Polypyrrole with a specific resistance of 0.045 Ohms was used as a heat-sensitive material of the sensor. see. Polypyrrole films are obtained by the method of electrical anodic polymerization of the starting pyrrole monomer. The resulting polymer is represented by the formula C ₄ H ₃ N (C ₇ H ₇ O ₃ S) _0.10-0.30 . The polymerization process is carried out in an environment of a polar organic solvent of acetonitrile at room temperature and normal pressure. To add conductivity to the solution, sodium salts of aromatic sulfonic acids of the benzene series, for example sodium p-toluenesulfonate, are used as the background electrolyte. The initial concentration of pyrrole and background electrolyte in acetonitrile is in the range of 0.02-0.2 mol / L.

Датчик температуры представляет собой пленку полипиррола, нанесенную на поверхность измеряемого объекта, методом анодной полимеризации, к которой определенным способом прикреплены электрические контакты, например, с помощью высокопроводящего клея, изготовленного на основе мелкодисперсной серебряной пасты. The temperature sensor is a polypyrrole film deposited on the surface of the measured object by the method of anode polymerization, to which electrical contacts are attached in a certain way, for example, using highly conductive glue made on the basis of finely dispersed silver paste.

Проведенные эксперименты (см. графики на фиг. 2 и 3) показали хорошие термометрические свойства предлагаемых датчиков температуры для диапазона измеряемых температур 300-1,5 К. Сопротивление датчика при комнатной температуре равно 25,78 Ом, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) составляет 0,26 % . град. ^-1, а при 2,2 К сопротивление равно 4,69 . 10⁴ Ом, ТКС составляет 90 % . град. ^-1, при 1,5 К сопротивление равно 8,9 . 104 Ом, ТКС - 95 % . град. ^-1. Сопротивление измеряемого объекта меньше одного ома. Относительное изменение сопротивления в поперечном и продольном магнитном поле, измеренное при 4,2 К, практически совпадает и при увеличении напряженности поля на величину больше 40 кЭ сопротивление образца меняется меньше чем на 5% .The experiments (see the graphs in Figs. 2 and 3) showed good thermometric properties of the proposed temperature sensors for a range of measured temperatures of 300-1.5 K. The resistance of the sensor at room temperature is 25.78 Ohms, TKS (temperature coefficient of resistance) is 0 , 26%. hail. ^-1 , and at 2.2 K the resistance is 4.69. 10 ⁴ Ohms, TCS is 90%. hail. ^-1 , at 1.5 K the resistance is 8.9. 104 Ohm, TCS - 95%. hail. ^-1 . The resistance of the measured object is less than one ohm. The relative change in resistance in a transverse and longitudinal magnetic field, measured at 4.2 K, practically coincides, and when the field strength is increased by more than 40 kOe, the resistance of the sample changes by less than 5%.

В зависимости от того, в каких точках исследуемого объекта необходимо произвести измерения температуры, на него наносят соответствующее число датчиков. Датчики при этом могут быть как угодно малого размера. Количество датчиков температуры и места их расположения на измеряемом объекте, имеющем неоднородное распределение температуры и как угодно сложный рельеф, практически не ограничено. Depending on what points of the object under study it is necessary to take temperature measurements, the corresponding number of sensors is applied to it. Sensors can be of any small size. The number of temperature sensors and their location on the measured object having an inhomogeneous temperature distribution and an arbitrarily complex relief is practically unlimited.

Claims

TEMPERATURE SENSOR containing a layer of thermosensitive material located on the surface of the measured object, and electrical contacts located on the layer of thermosensitive material, characterized in that, in order to expand the measurement range and increase the temperature coefficient of resistance, polypyrrole composition C ₄ H is used as a thermosensitive material ₃ N · (C ₇ H ₇ O ₃ S) _0,10-- _-0,30 with a resistivity of 0.045 ohm · cm, and as one of the electrical contacts used surface measured Ob KTA, the resistivity of the material of the measuring object are much lower resistivity, thermally sensitive material.