Пленочные резистивные материалы

ТЕМА 2.3

МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы, некоторые оксиды, силициды и карбиды, а также чистые материалы в очень тонких слоях. Материалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм*м, очень низкий ТКp и малую термо-ЭДС относительно меди.

Металлические сплавы, образующие твердые растворы

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, применяют для изготовления различных термопар, образцовых резисторов, шунтов, реостатов и т.д. К материалам, которые используются для изготовления электронагревательных элементов, предъявляют дополнительное требование – они должны иметь высокую нагревостойкость, т.е. могли бы длительное время работать на воздухе при температуре около 1000 С без заметного ухудшения свойств.

Удельное сопротивление металлов существенно возрастает в очень тонких пленках: чем тоньше пленка, тем больше удельное сопротивление и меньше ТКр. Это явление используют в пленочных резисторах.

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по назначению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы

Резистивные сплавы широко используют в производстве проволочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т.д. Самые распространенные среди них – медно-никелевые сплавы: манганин, константан и др.

Манганин – это сплав, состоящий из меди 85-89%, никеля 2,5- 3,5%, марганца 11,5-13,5%. Примеси не должно быть более 0,9%. Удельное сопротивление манганина составляет 0,42- 0,48 мкОм*м, предельно допустимая температура 200 С. Манганин хорошо протягивается в тонкую проволоку. Проволоку выпускают в твердом и мягком состояниях. Ее поверхность должна быть чистой и гладкой, без трещин.

Манганин применяют для изготовления образцовых резисторов, шунтов и некоторых измерительных приборов, например термопар, датчиков, измеряющих высокие гидростатические давления и др.

Константан – сплав, содержащий 56-59%меди, 39-41% никеля, 1-2% марганца, примеси не более 0,9%. Свое название получил за высокое постоянства удельного сопротивления в рабочем интервале температур. Его удельное сопротивление равно 0,48-0,52 мкОм*м, значение ТКр близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. По нагревастойкости константан превосходит манганин и может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450-500 С. Константан имеет высокие механические свойства, его можно протягивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и манганин. При быстром нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900 С на ее поверхности образуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами. Константановую проволоку с оксидной пленкой можно наматывать плотно, виток к витку, без дополнительной изоляции, если напряжение между витками не превышает 1 В. В паре константана с медью и железом возникает высокая термо-ЭДС (40-50 мкВ/К), что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Однако это свойство используют для изготовления медно-константановых и железо-константановых термопар.

Нагревостойкие сплавы

Нагревостойкие сплавыиспользуют для изготовления нагревательных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия, называемые нихромами, ферронихромами, фехралями и др. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловлена образованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки, у которой коэффициент линейного расширения близок к ТКЛР сплава. Поэтому образование трещин в оксидной пленке может происходить только при резких сменах температуры. Наличие хрома в этих сплавах придает им высокую нагревостойкость.

Нихромы – это сплавы системы Fe-Ni- Cr, содержащие Ni 55-78%, Cr 15-25%, Mn 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0-1,2 мкОм*м. При повышенном содержании железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы обладают высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую проволоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы, из них изготавливают электронагревательные элементы. Срок службы электронагревательных элементов можно увеличить, сделав заделав спирали в инертную среду, которая затрудняет доступ кислорода и предохраняет от механических повреждений.

Фехрали и хромали – это жаростойкие сплавы системы Fe-Cr-Al, содержащая в своем составе хрома 12-15%, алюминия 3,5-5,5%, марганца 0,7%, никеля 0,6% и остальное железо; удельное сопротивление равно 1,2-1,4 мкОм*м. Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем нихромы. Они отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению.

Пленочные резистивные материалы

Резистивные пленки получают методом вакуумных технологий из чистых металлов, их сплавов, оксидов, силицидов, а также из углеродистых металлов. Тонкие резистивные металлические пленки получают из тугоплавких металлов и таких сплавов, как нихромы, сплавы марки РС, сплавы марки МЛТ, а также композиционных материалов.

Сплавы для термопар

Наибольшее применение для термопар получили сплавы: копель, алюмель, хромель, платинородий. Металлы для термопар подбирают так, чтобы в интервале измеряемых температур их спаи могли образовывать максимальную термо-ЭДС. Согласно этому условию, применяют следующие термопары: медь-константан и медь-копель; железо-константан, железо-копель и медь-копель; хромель-алюмель; плтинародий- платина. Знак термо-ЭДС зависит от направления тока в холодном и горячем спаях. Принято считать, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму, а в горячем, наоборот, т.е. в холодном спае от меди к копелю, от платинородия к платине.