最近、私はラッキーなことに、温度センサーの生産、より正確には、スイスの会社IST-AGでプラチナとニッケルの熱抵抗（RTD）を製造しています。



この機会に、読者がこのタイプのセンサーのかなり詳細な説明、生産プロセスの主要な段階へのガイド、および薄膜技術を使用するときに現れる可能性の概要を見つける2つの記事を公開します。







最初の記事では、理論的根拠を扱います。 エキサイティングではありませんが、非常に便利です。

抵抗温度計とは

（これらは耐熱性またはRTDでもあります）

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まず、用語を扱うことは理にかなっています。 質問に精通している場合は、記事の第2部に進んでください。 または多分すぐに3番目に。



そのため、「温度センサー」の定義には何千もの非常に異なる製品が含まれます。 センサーは、温度が度数でディスプレイに表示される既製の測定デバイス、およびデジタル出力信号を備えた集積回路、および他のすべてのソリューションが構築されていることに基づいた単なる敏感な要素として理解できます。 今日、私たちは敏感な要素についてのみ話しますが、それは「センサー」という言葉とも呼ばれます。



熱抵抗とRTD（抵抗温度検出器）としても知られる抵抗温度計は敏感な要素であり、その動作原理は名前からよく理解されています-要素の電気抵抗は周囲温度の増加とともに増加し、逆も同様です。 熱抵抗は、Pt100、Pt500、Pt1000などのプラチナ温度センサーとして、または50M、50P、100M、100Pのセンサーとして聞いたことがあるでしょう。



サーミスタは、サーミスタまたは熱電対と混同されることがあります。 これらのセンサーはすべて同様のタスクで使用されますが、サーミスタは温度抵抗コンバータでもありますが、サーミスタ、サーミスタ、および熱電対を互いに混同しないでください。 これらの要素の構造と目的の違いについては、すでに1,000件の記事が執筆されているので、おそらく繰り返さないでしょう。



主なことに注意してください。平均抵抗温度計は、平均サーミスタと熱電対よりも数倍高価ですが、熱抵抗のみが線形出力特性を持っています。 特性の直線性、および測定結果の精度と再現性のはるかに高い指標により、価格の違いにもかかわらず熱抵抗が要求されます。

熱抵抗の主な特徴

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要するに、熱抵抗の特性は3つのグループに分類できます。

1. 公称静的特性（NSH）と精度
2. NSCが決定され、宣言された精度が保証される温度範囲
3. センサーハウジング、端子の種類と長さ

私の意見では、最初のポイントだけが明確化を必要とします。



公称静的特性（NSC）



NSCは、抵抗温度の依存性を決定する関数（実際には、多くの場合、値の表）です。



もちろん、依存性R（T）は完全に線形ではありません。実際、熱抵抗の出力特性は、既知の係数を持つ多項式によって記述されます。 最も単純な場合、これは2次の多項式R（T）= R0（1 + A x T + B x T ² ）で、R0はセンサーの公称抵抗、つまり0°Cでの抵抗値です





多項式のタイプとその係数は、さまざまな国内および国際規格で説明されています。 現在のロシアの標準はGOST 6651-2009です。 ヨーロッパでは、DIN 60751（別名IEC-751）がより頻繁に使用されますが、同時に、DIN 43760は同時に有効であり、ASTM E1137は北米で人気があります。 一部の規格は一貫しているという事実にもかかわらず、全体像はかなり悲しく、実際には単一の工業規格はありません。



最も一般的なタイプのサーモレジスタは、プラチナセンサー（Pt 3850、Pt 3750、Pt 3911など）、ニッケル（Ni 6180、Ni 6720など）および銅サーミスター（Cu 4280など）です。各センサータイプには独自の多項式R（T ）





上記の名前には、センサーの製造に使用される金属の名前と、0°のセンサーの抵抗と100°Cの抵抗の比を表す係数が含まれています。 この係数は、R0の値とともに、関数R（T）の勾配を決定します。





多彩な標準では、その結果、特定のセンサーの仕様では、この係数はさまざまな方法で表現できます。 たとえば、白金センサーの場合、0.00385°C ^-1のアルファ係数、または0.385％/°Cの温度係数、またはTCR = 3850 ppm / Kを示すことができますが、3つすべてのケースで同じ依存性R（T）が暗示されています。



使用される金属は、多項式R（T）の次数を一意に決定し、多項式の係数は、金属の温度係数によって決定されます。



たとえば、すべてのプラチナセンサーの場合、関数R（T）の形式は次のとおりです。



R（T）= R0（1 + A x T + B x T ² ） T> 0の場合

R（T）= R0（1 + A x T + B x T ² + C x（T-100）x T ³ ） at T <0

ここで、係数はプラチナのタイプに応じて選択されます。

• Pt 3850 ppm / K（現代の熱抵抗の最も一般的な特性）
  
  A = 3.9083 x 10 ^-3 °C ^-1
  
  B = -5.775 x 10 ^-7 °C ^-2
  
  C = -4.183 x 10 ^-12 °C ^-4
  
  
  
  
• Pt 3911 ppm / K（過去にはGOSTにのみ含まれていたため、ロシア連邦ではこの特性が引き続き要求されています）
  
  A = 3.9692 x 10 ^-3 °C ^-1
  
  B = -5.829 x 10 ^-7 °C ^-2
  
  C = -4.3303 x 10 ^-12 °C ^-4
  
  

自動車の標準Pt 3770 ppm / K、アメリカのPt 3750 ppm / Kまたは日本のPt 3916 ppm / Kは、他の係数セットに適合します。



同じロジックが銅とニッケルにも適用されます。 たとえば、すべてのニッケルセンサーのNLCは、6次多項式で記述されます。



R（T）= R0（1 + A x T + B x T ² + C x T ³ + D x T ⁴ + E x T ⁵ + F x T ⁶ ）

ここで、係数はニッケルの温度係数（Ni 6180 ppm / K、Ni 6720 ppm / Kなど）によって決定されます。



抵抗温度計のNLCの最後のパラメーター、つまり公称抵抗値R0についてはまだ述べていません。 ほとんどの場合、標準R0のセンサーが使用されます-50、100、500または1000オーム、ただし、R0 = 2000および10000オームの3つの抵抗、および「複数ではない」公称抵抗のセンサーが必要な場合があります。





つまり、各タイプの熱抵抗は、異なる公称抵抗R0を持つ複数のNSCに対応できます。 ロシア連邦で最も一般的な特性については、標準表記が使用されます。Pt100とPt1000は、それぞれ温度係数が3850 ppm / Kで白金に対応し、R0 = 100と1000オームです。 ソビエトの参考書から引き継いだ呼称50Pおよび100Pは、係数が3911 ppm / KおよびR0 = 50および100オームの白金製のセンサーであり、50Mおよび100Mとして知られるセンサーは、銅および4280 ppm / Kの公称抵抗が50および100オームです。



センサー精度

熱抵抗精度は、実際のセンサーのR（T）依存性が理想的なNSCからどれだけ逸脱する可能性があるかです。 熱抵抗の精度を示すために、公差クラスの概念が使用されます（同じ精度クラスから）。



許容クラスは、公称特性からの最大許容偏差を決定し、この偏差は温度の関数として設定されます-ゼロ度では最小許容偏差が記録され、温度が低下または上昇すると、許容値の範囲は直線的に増加します。





許容クラスに関しては、現在の標準の混乱は悪化するだけです-異なるソースのクラスの名前でさえ異なる場合があります。

	他の名前	公差、°C
グレードAA	クラスy 1/3 DIN 1/3 B F 0.1（薄膜センサーについて話している場合） W 0.1（ワインディングセンサーについて話している場合）	±（0.1 + 0.0017 | T |）
クラスA	1/2 DIN 1/2 B F 0.15（薄膜センサーについて話している場合） W 0.15（巻線センサーについて話している場合）	±（0.15 + 0.002 | T |）
クラスB	DIN F 0.3（薄膜センサーについて話している場合） W 0.3（ワインディングセンサーについて話している場合）	±（0.3 + 0.005 | T |）
クラスC	クラス2B クラスbb F 0.6（薄膜センサーについて話している場合） W 0.6（ワインディングセンサーについて話している場合）	±（0.6 + 0.01 | T |）
-	クラスk 1/10 DIN	±（0.03 + 0.0005 | T |）
-	クラスk 1/5 DIN	±（0.06 + 0.001 | T |）

表に記載されている許容値は、GOSTおよび欧州DIN 60751（IEC-751）を含む3850 ppm / Kプラチナセンサーのほとんどの現在の標準に準拠しています。





他の温度係数を備えたプラチナ、またはニッケルと銅のセンサーについて話す場合、公差の他の定義を見つけることができます。



許容クラスは、最大許容だけでなく、この許容が保証される温度範囲も記述します。 異なる標準では、これらの範囲が大幅に異なる可能性があることをすでにご存じでしょう。 これは事実であり、温度範囲はセンサーの許容クラスとタイプだけでなく、センサーの製造技術にも依存します。センサーを巻く場合、範囲は常に広くなります。

巻線および薄膜センサーとは何か-少し低い。

写真では-DIN 60751（IEC-751）に準拠した温度係数3850のプラチナセンサーのチケットオフィス。









ところで、熱抵抗のドキュメントに、指定された許容範囲で規定されている範囲よりも広い測定温度範囲が示されている場合、宣言された許容範囲は動作範囲全体に適用されません。 たとえば、Pt1000クラスAセンサーが-200〜+ 600°Cの温度を測定するように設計されている場合、+ + 300°Cまでの温度でのみ±（0.15 + 0.002 | T |）の精度が得られます。 B.



規格の用語と解釈に関するこれらすべての詳細を示して、1つの簡単なアイデアを伝えます。熱抵抗の選択は混乱しやすく、要素の特性を誤解しやすいです。 要素に設定する要件（クラスではなく絶対数）を正確に理解し、特定のセンサーのドキュメントに記載されている絶対数と比較することが重要です。

測温抵抗体の構造

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そのため、サーモレジスタはプラチナ製、またはそれほど一般的ではないニッケルまたは銅製の抵抗器です。 上記の2つの技術-巻線（ワイヤ）と薄膜-はすでに言及されています。



巻線センサーは、金属線の螺旋に基づいて作られたサーミスタです。 巻線センサーの製造には主に2つの方法があります。 最初のケースでは、ワイヤはガラスまたはセラミックのシリンダーに巻き付けられ、その後、構造はガラスの絶縁層で覆われます。 2番目の方法は、セラミックシリンダー内のチャネルに金属らせんを配置することです。



薄膜センサーの製造では、金属の薄層がセラミック基板上にスプレーされ、これがいわゆる蛇行と呼ばれる導電経路を形成します。 その後、センサーはガラスの絶縁層で覆われます。





最新の熱抵抗のほとんどは、これら3つの技術のいずれかを使用して作られています。 情報源には、どの設計が振動や極端な温度に対してより耐性があるかについて意見が対立しています。 異なる設計のセンサーのコストの見積もりも非常に異なります。



実際、異なる設計のセンサーの特性間に基本的な違いはなく、薄膜センサーと巻線センサーの価格も同じ範囲にあります。



ほとんどの場合、センサーの配置方法は正確には関係ありません-コンポーネントを選択するときは、特定の要素の価格性能比のみが重要です（薄膜センサーの許容クラスはより狭い温度範囲で定義されることに注意する必要があります）。 ただし、一部のタスクでは、薄膜センサーは意図的に巻き取りを好むことがあります。 これには3つの主な理由があります。

1. 高い定格抵抗。 薄膜技術により、R0 = 1000オームのセンサーを、公称抵抗50、100または500オームのセンサーと同じ価格で製造することができます。 さらに、センサーは、たとえば2000オームや10000オームなど、より高い公称抵抗値で製造されています。
   
   
   
   
2. 小さいサイズ。 薄膜センサーは、巻線センサーに比べてはるかに小型にできます。 たとえば、標準のPt1000センサーの寸法は1.6 x 1.2 mmのみです。
   
   
   
   
3. フィルムセンサーの長方形とミニチュアサイズにより、出力熱抵抗器だけでなく、標準サイズのSMDコンポーネント（1206、0805など）も製造できます。

薄膜技術には、たとえば温度センサーの応答時間を短縮したり、熱抵抗に基づいて流量センサーを作成したりすることを可能にするその他の興味深い特性があります。 これについては、薄膜センサーの製造プロセスに完全に専念した次の記事で説明します。

おわりに

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結論として、私は伝統的に読者の注意に感謝し、Habréについて書いている製品の使用に関する質問は、私のプロフィールで指定されたメールアドレスにも送信できることを思い出させます。



upd＃1： 「熱抵抗：生産プロセス」 という記事が公開されました 。



upd＃2：上記のセンサーとモジュールはすべて在庫から入手できます。 efo-sensor.ruの詳細