ANALIZA OSNOVNIH KARAKTERISTIKA TRODIMENZIONALNOG ... · vetra. Zbog toga su potrebni 3D anemometri (x, y, z) koji bi zamenili 2D anemometre (x, y). Njihova izrada je znatno komplikovanija,

UNIVERZITET U BEOGRADU

Aleksandar B. Menićanin

ANALIZA OSNOVNIH KARAKTERISTIKA TRODIMENZIONALNOG ANEMOMETRA

SASTAVLJENOG OD DEBELOSLOJNIH SEGMENTIRANIH TERMISTORA

M a g i s t a r s k a t e z a

( teza ima 88 strana)

B E O G R A D, 2 0 0 8.

P r e d g o v o r Ova teza rađena je u okviru projekta broj 6150B Ministarstva za nauku i zaštitu životne sredine Srbije kao deo širih istraživanja na materijalima za debeloslojne senzore i kao deo realizacije patenta Instita za multidisciplinarna istraživanja br. PCT/YU2006/ 000 015. Teza je rađena u Institutu za multidisciplinarna istraživanja na odseku Konverzija energije, pod rukovodstvom prof. dr Dejana Rakovića, Elektrotehnički fakultet u Beogradu i prof. dr Slavka Mentusa, Fakultet za fizičku hemiju u Beogradu. Teza predstavlja doprinos u oblasti praćenja klimatskih promena pomoću debeloslojnih termistora i doprinos u izradi inteligentnih trodimenzionalnih (3D) senzora. Realizacija senzora je urađena u Laboratoriji za materijale Instituta za multidisciplinarna istraživanja gde je formirana i karakterisana pasta, a zatim izrađeni debeloslojni senzori sa negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC) primenom hibridne tehnologije. Zahvaljujem dr Obradu Aleksiću, naučnom savetniku Instituta za multidisciplinarna istraživanja na pomoći i tehničkoj realizaciji prototipa 3D anemometra. Posebnu zahvalnost dugujem prof. dr Ljiljani Živanov (Fakultet tehničkih nauka, Novi sad) na uvođenju u probleme modelovanja i simulacije pomoću programskih paketa za dizajniranje elektronskih kola i dr Dani Vasiljević-Radović, naučnom savetniku, Instituta za hemiju, tehnologiju i metalurgiju, Beograd . Na kraju zahvaljujem mr Slavici Savić na pomoći pri prikupljanju literature u toku izrade magistarske teze. Autor: Aleksandar Menićanin

Mentori:

1. prof. dr Dejan Raković, Elektrotehnički fakultet, Beograd (elektrotehnički materijali)

2. prof. dr Slavko Mentus, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd (elektrohemija, fizička hemija čvrstih elektrolita)

Članovi komisije:

1. prof. dr Dejan Raković, Elektrotehnički fakultet, Beograd (elektrotehnički materijali)

2. prof. dr Slavko Mentus, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd (elektrohemija,

fizička hemija čvrstih elektrolita)

3. dr Dana Vasiljević-Radović, naučni savetnik, Institut za hemiju, tehnologiju i metalurgiju, Beograd (sinteza i karakterizacija elektrotehničkih materijala, fotoakustična i fototermalna spektroskopija)

4. prof. dr Obrad Aleksić, naučni savetnik, Institut za multidisciplinarna

istraživanja, Beograd (nauka o materijalima – elektrotehnički materijali)

5. prof. dr Ljiljana Živanov, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad (modelovanje i simulacija elektrotehničkih materijala i komponenata, dizajn integrisanih pasivnih komponenti)

APSTRAKT Magistarska teza predstavlja doprinos u oblasti praćenja klimatskih promena pomoću debeloslojnih termistora i doprinos u izradi inteligentnih trodimenzionalnih (3D) senzora. 3D anemometar na bazi segmentiranih debeloslojnih termistora radi na principu gubitka toplote i gradijent otpornosti (toplote) na termistoru definiše smer vetra u sva tri pravca x, y, z. Brzina vetra se meri vektorski, a intenzitet vektora se dobija računskim putem i jedinični vektori u pravcu koordinatnih osa. 3D anemometar, koji je realizovan, je senzorski sistem od tri uniaksijalna senzora brzine vetra (x, y, z), senzora temperature i senzora vlage (koji je u razvoju). Senzorski deo je realizovan u vidu segmentiranih debeloslojnih NTC termistora, štampanjem debelih slojeva NTC paste, sopstvene izrade. Izradi senzora i senzorskog sistema nazvanog 3D anemometar sa segmentiranim debeloslojnim NTC termistorima prethodila je detaljna karakterizacija termistorske paste, kao i optimizacija geometrijskih i materijalnih parametara segmentiranih debeloslojnih termistora. Stabilnost i osetljivost, kao osnovne karakteristike 3D anemometra (prototipa u razvoju), predmet su istraživanja ove magistarske teze. U prvom delu magistarske teze su predstavljeni NTC termistori, modelovanje NTC termistora i merenje vetra. Opisana je tehnika izrade debelih slojeva, paste i podloge za debele slojeve, konstrukcije i osnovna svojstva debeloslojnih termistora, primena NTC termistora, primena NTC termistora za merenje temperature i protoka. Obrađene su različite vrste anemometara i njihovi principi rada. U drugom delu magistarske teze predstavljena su osnovna svojstva debelih NTC slojeva, dobijanje nanometarskih prahova i NTC paste, karakterizacija debelih NTC slojeva. U radu je najpre data konstrukcija i realizacija prototipa 3D anemometra sa segmentiranim debeloslojnim NTC termistorima, građa segmentiranog debeloslojnog termistora i način izrade. Zatim je prikazano modelovanje segmentiranih debeloslojnih termistora na visokim učestanostima. Vršena je karakterizacija uniaksijalnog anemometra. Zatim je izvršeno modelovanje i merenje otpornosti segmentiranog NTC termistora u zavisnosti od temperature. Diskutovani su dobijeni rezultati. Takođe, dati su i pravci daljeg istraživanja na usavršavanju 3D anemometra u inteligentni 3D anemometar.

ABSTRACT

Analysis of characteristic three-dimensional anemometer contaning thick film segmented thermistors

Master thesis demonstrates contribution for tracking climatic change via thick film thermistors and contribution in production intelligent three-dimensionally (3D) sensors. 3D anemometer assembly from segmented thick film thermistors works on the principle heat loss and gradient resistance (temperature) on the thermistors’ define wind direction in the all three vectors x, y, z. Wind speed measures by vector, vector intensity obtains computing resource. Realized 3D anemometer is sensing system from three uniaxial wind speed sensors (x, y, z), temperature sensor and humidity sensors (in development). Sensing part is realized with segmented thick film NTC thermistors, printing thick film NTC paste, its own design. Developed sensor and sensing system called 3D anemometer with segmented thic film NTC thermistors pretored detail characterization thermistors paste, and optimization geometrical and material parameters segmented thick film thermistors. Stability and sensitivity, by infinite characteristic 3D anemometer (prototype in development), are theme research this master thesis. In first part master thesis is presented NTC thermistors, modeling NTC thermistors and wind measurement. Described technique manufacturing thick film, paste and substrate for thick film, constructions and primary properties, applications NTC thermistors, applications NTC thermistors for temperature and flow measuring. Different types of anemometers and their working principle are processed. In second part master thesis is presented primary properties thick film NTC layers, making nanometric powder and NTC paste, characterization thick film NTC layers. In this thesis is realized prototype 3D anemometer with thick film segmented thermistors, their construction and their way of making. Than, shown is modeling thick film NTC segmented thermistors on the high frequency. Characterized is uniaxial anemometer and NTC segmented thermistor as temperature sensor. Than are commented obtain results. Also, in this thesis, are given direction of further research on the improving 3D anemometer in the intelligent 3D anemometer.

Sadržaj:

1. Uvod.......................................................................................................................1

Teorijski deo 2. NTC termistori .......................................................................................................3

2.1. Osnovna svojstva NTC termistora .................................................................3 2.1.1. Materijali za NTC termistore .................................................................4 2.1.2. Mehanizam provođenja kod NTC termistora ........................................5 2.1.3. Zavisnost otpornosti od temperature......................................................7 2.1.4. Temperaturne osobine............................................................................8 2.1.5. Stabilnost i vreme odziva NTC termistora...........................................11

2.2. Debeloslojni termistori.................................................................................14 2.2.1. Tehnika izrade debelih slojeva.............................................................14 2.2.2. Paste i podloge za debele slojeve.........................................................15 2.2.3. Konstrukcije i osnovna svojstva debeloslojnih termistora...................17

2.3. Primena NTC termistora ..............................................................................20 2.3.1. Primena NTC termistora za merenje temperature i merenje protoka ..21 2.3.2. Električni mostovi sa NTC termistorima .............................................23 2.3.3. Termistorski bolometri (termistorski pirometar) .................................24 2.3.4. Primena NTC termistora u kolima za kašnjenje ..................................26

3. Modelovanje NTC termistora ..............................................................................27 3.1. Modelovanje disk termistora.............................................................................28 3.2. Modelovanje debeloslojnih termistora..............................................................29

3.2.1. Fizički model debeloslojnih termistora......................................................29 3.2.2. Metod ekvivalentnih električnih šema .......................................................30 3.2.3. MWO model ..............................................................................................31

4. Merenje brzine vetra ............................................................................................34 4.1. Elektromehanički anemometri ..........................................................................35

4.1.1. Elektromehanički indukcioni anemometri .................................................35 4.1.2. Elektromehanički – optički anemometri....................................................36

4.2. Ultrazvučni anemometri....................................................................................37 4.3. Anemometri sa ugrejanom žicom i filmom ......................................................38 4.4. Pitoova cev........................................................................................................39 4.4. Membranski anemometri – piezoelektrični anemometri ..................................40 4.5. Cilj rada.............................................................................................................42Eksperimentalni deo

5. Osnovna svojstva debelih NTC slojeva ...............................................................43 5.1. Dobijanje nanometarskih prahova i NTC paste ................................................43 5.2. Karakterizacija debelih NTC slojeva ................................................................43

6. Segmentirani debeloslojni termistori ...................................................................45 6.1. Građa segmentiranog termistora .......................................................................45

Magistarska teza Aleksandar Menićanin

6.2. Modelovanje segmentiranih termistora na visokim učestanostima ..................47 7. 3D anemometar sa segmentiranim NTC termistorima ........................................49

7.1 Konstrukcija i osnovna svojstva uniaksijalnog anemometra sa segmentiranim NTC termistorom ............................................................................52

7.1.1.Baždarenje uniaksijalnog anemometra sa kolom za ograničenje struje......54 7.1.2.Baždarenje uniaksijalnog anemometra sa otpornikom R u funkciji ...........61

7.2. NTC segmentirani termistor kao senzor temperature ..................................71 7.2.1. Merene krive NTC zavisnosti R(t).............................................................71

8. Diskusija ..............................................................................................................73 8.1. Optimizacija dimenzija 3D anemometra ..........................................................73 8.2. Analiza odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra sa ograničavačem struje ...............................................................................................74 8.3. Analiza odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra sa otpornikom u funkciji ograničavača ........................................................................76 8.4. Analiza temperaturnih odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra..............................................................................................................77

8.4.1. Interpolirane krive zavisnosti otpornosti R(t) od temperature...................78 8.5. Formiranje 3D anemometra pomoću uniaksijalnog anemometra i termometra84

9. Zaključak..............................................................................................................85 10. Literatura..............................................................................................................87

Magistarska teza Aleksandar Menićanin

Uvod

1. Uvod Merenje brzine vetra na visinama od 10 do 100 m od površine tla daje odgovor na pitanje kolika je energija vetra i kakav tip vetrogeneratora je za takav vetar najefikasniji. Osim vetra menjaju se i vlaga i temperatura, a povremeno nastaju i padavine. Vetrovi se brzo menjaju po pravcu i intenzitetu: za eksploataciju energije vetra pogodni su samo stacionarni vetrovi, obično na visinama od oko 100 m. Naprave koje mere brzinu vetra – anemometri, rade u promenljivim uslovima na temperaturama od -30 do +40°C, sa vlagom od 0 do 90 %, i brzinom vetra od 0 do 40 m/s. Ovako širok opseg promene parametara teško podnose i elektromehanički i elektronski anemometri na bazi gubitka toplote, promene pritiska, ultrazvučnih i ostalih efekata. Upravljanje vetrogeneratorima u realnom vremenu ili utvrđivanje energetskog resursa na bazi vetrova je u suštini sličan zadatak. Potrebni su anemometri koji u svakom trenutku mere brzinu vetra, šalju podatke na obradu u toku cele godine 24 časa na dan, u udaljene laboratorije i bez operatera. Elektromehanički delovi se habaju, zaleđuju i menjaju otpor trenja sa starenjem. Elektronski stalno troše energiju, temperaturno se moraju kompenzovati, baždariti, veštački stariti. Ultrazvučni su složeni i što se tiče detekcije i elektronike za obradu, dok mikrofonski ne trpe vlagu i vibracije, itd. Potreba za robusnim elektronskim anemometrom i dalje postoji, vezano za njihovu minijaturizaciju i integraciju. U primeni su danas najčešće 2D anemometri (x, y pravac) koji daju brzine u pravcu vetrova u ravni. Merni podaci, tj. signali se prenose bežično do centra i tamo arhiviraju i obrađuju. Čitave mreže anemometara snimaju stanje na svakom km2 i daju atlas vetrova, po mesecima u godini, čak i dobu dana. U korišćenju energije vetra najviše se odmaklo u najbogatijim i tehnički najrazvijenijim zemljama kao što su SAD, Kanada, Nemačka, Holandija, Danska, Japan i Španija. Interes za korišćenje energije koja je čista, obnovljiva i jeftina postoji u svim delovima sveta gde duvaju vetrovi. Vetrove treba meriti i proučavati da bi oni bili definisani kao siguran energetski resurs. U tu svrhu potrebni su anemometri koji će meriti brzine vetrova ne samo u ravničarskim predelima, gde su vetrovi ustaljeni, nego i na planinama, nagnutim zaravnima gde postoji i neka vertikalna komponenta vetra. Zbog toga su potrebni 3D anemometri (x, y, z) koji bi zamenili 2D anemometre (x, y). Njihova izrada je znatno komplikovanija, posebno zbog uticaja padavina, koje u velikoj meri menjaju vertikalnu komponentu vetra. Rad na ovoj magistarskoj tezi usmeren je na rešavanje upravo pomenutih problema. 3D anemometar na bazi segmentiranih debeloslojnih termistora radi na principu gubitka toplote i gradijent otpornosti (toplote) na termistoru definiše smer vetra u sva tri pravca x, y, z. Brzina vetra se meri vektorski, a intenzitet vektora se dobija računskim putem i jedinični vektori u pravcu koordinatnih osa.

Magistarska teza Aleksandar Menićanin 1

Uvod

3D anemometar, koji je realizovan, je senzorski sistem od tri uniaksijalna senzora brzine vetra (x, y, z), senzora temperature i senzora vlage (koji je u razvoju). Senzorski deo je realizovan u vidu segmentiranih debeloslojnih NTC termistora, štampanjem debelih slojeva NTC paste, sopstvene izrade. Izradi senzora i senzorskog sistema nazvanog 3D anemometar sa segmentiranim debeloslojnim NTC termistorima prethodila je detaljna karakterizacija termistorske paste, kao i optimizacija geometrijskih i materijalnih parametara segmentiranih debeloslojnih termistora. Stabilnost i osetljivost, kao osnovne karakteristike 3D anemometra (prototipa u razvoju), predmet su istraživanja ove magistarske teze. Ova magistarska teza podeljena je na teorijski i eksperimentalni deo. Na njih se nadovezuju još diskusija i zaključak što čini ukupno četiri celine. U prvom - teorijskom delu kratko su date tri celine: NTC termistori, modelovanje NTC termistora i merenje brzine vetra. Između ostalog data su osnovna svojstva NTC termistora, materijali za NTC termistore, mehanizam provođenja NTC termistora, zavisnost otpornosti od temperature, temperaturne osobine, stabilnost i odziv NTC termistora, kao i starenje. Osim toga, opisana je tehnika izrade debelih slojeva, paste i podloge za debele slojeve, konstrukcije i osnovna svojstva debeloslojnih termistora, primena NTC termistora, primena NTC termistora za merenje temperature i protoka. Odmah zatim date su šeme električnih mostova sa NTC termistorom, termistorski bolometri (pirometri), primena NTC termistora u kolima za kašnjenje, modelovanje NTC termistora, modelovanje debeloslojnih termistora, metod ekvivalentnih električnih šema. Takođe su obrađene različite vrste anemometara i njihovi principi rada. Predstavljeni su elektromehanički anemometri, ultrazvučni anemometri, anemometri sa ugrejanom žicom i filmom, pitoova cev, membranski anemometri, rezistivni anemometri. U drugom delu, eksperimentalnom delu teze, predstavljena su osnovna svojstva debelih NTC slojeva, dobijanje nanometarskih prahova i NTC paste, karakterizacija debelih NTC slojeva. Data je realizacija prototipa 3D anemometra sa segmentiranim debeloslojnim NTC termistorima, građa segmentiranog debeloslojnog termistora i način izrade, modelovanje segmentiranih debeloslojnih termistora na visokim učestanostima, konstrukcija 3D anemometra, uniaksijalni anemometri, ograničavanje struje tranzistorom, promena aperture (protoka vazduha kroz senzor), NTC segmentirani termistor kao senzor temperature, merenje otpornosti, modelovanje otpornosti segmentiranog NTC termistora. U trećem delu magistarske teze data je diskusija dobijenih rezultata. U četvrtom delu dat je zaključak. U njemu su posebno nabrojani najvažniji doprinosi teze. Osim toga dati su i pravci daljeg istraživanja na usavršavanju 3D anemometra u inteligentni 3D anemometar. U poslednjem poglavlju magistarske teze data je nama dostupna korišćena literatura iz oblasti anemometara i NTC materijala i senzora.


NTC termistori

TEORIJSKI DEO

2. NTC termistori Reč termistor dobijena je skraćivanjem engleskog izraza “Thermally sensitive resistor” što znači otpornik osetljiv na temperaturu. Glavna prednost NTC termistora (NTC = termistor sa negativnim temperaturnim koeficijentom) u odnosu na druge temperaturne pretvarače je velika osetljivost koja omogućava konstrukciju jednostavnih i pouzdanih termometara. Vremenska nestabilnost zavisnosti otpornosti od temperature kao i velike tolerancje parametara pri proizvodnji, bile su u prošlosti glavni nedostaci termistora koji su ograničavali njihovu primenu. Danas su ovi nedostaci termistora u velikoj meri otklonjeni. U električnim merenjima temperature, u oblastima kao što su na primer, medicina, biologija, geologija, okeanologija i sl., termistori predstavljaju najčešće korišćene temperaturne pretvarače. Osim toga, uloga termistora u industriji sve više raste. Termistor je elektronska komponenta koja ima veliku promenu otpornosti usled promene temperature: može imati različite oblike zavisno od primene.

2.1. Osnovna svojstva NTC termistora Glavno svojstvo NTC termistora je pad otpornosti R sa porastom temperature T za oko 1 do 6 % po stepenu Kelvina (K). Pojava smanjenja otpornosti sa povećanjem temperature, uočena je još 1833. godine od strane Majkla Faradeja kod poluprovodnika Ag2S, koji je zabeležen kao prvi NTC termistor [1]. Zbog poteškoća u proizvodnji prvih termistora, kao i ograničenja njihovih tehnoloških primena, komercijalna proizvodnja i upotreba ovih termistora je počela tek 100 godina kasnije. Od 1930. do 1940. godine NTC pojava je primećena i kod Fe3O4, U2O, NiO, CoO i na kraju Mn3O4 i sistema NiO-Mn2O3. Tokom ranih 1940-tih, Bell-ove laboratorije su razvile tehniku sinterovanja da poboljšaju trajnost termistora i ponovljivost proizvodnog procesa. NTC termistori na bazi mešavine oksida Mn, Ni, Fe, Co, Cu razvijeni su neposredno posle Drugog svetskog rata u laboratorijama Siemens-a i Philips-a, a primenjivani su prvo za merenje temperature, temperaturnu kompenzaciju i zaštitu pri uključenju i isključenju uređaja. 5o-tih i 60-tih godina XX veka, razvoj avio industrije, kosmičkog programa, kriogenike i elektronike, dovodi do zahteva za što tačnijim i stabilnijim napravama - složenijim senzorima na bazi termistora. Stabilnost i starenje su popravljeni u narednoj dekadi, kada je i počela masovna industrijska proizvodnja ovih električnih komponenti. Od 1980. do 1990. godine su razvijeni NTC termistori za površinsku montažu (čip i flip-čip) i termistori velike osetljivosti i stabilnosti NTC koeficijenta [1]. Njihova primena se širi: primena kod


NTC termistori

automobila, u proizvodnji hrane, u medicini i pogotovo u oblasti telekomunikacija. Prve paste na bazi NTC prahova pojavile su se na tržištu još od 1972. godine [2], a planarne debeloslojne geometrije na različitim keramičkim i staklastim podlogama se ispituju još i danas. U našoj zemlji prvi NTC termistori oblika diska proizvedeni su 1975. godine u EI Feritima [3], a NTC debeloslojne paste 1995. u EI Iritel-u [4]. U Tabeli 2.1 data su važnija svojstva NTC termistora na bazi mešavine oksida Mn, Ni, Fe, Co, Cu , koji se koriste za izradu senzorskih naprava. Tabela 2.1. Tipična termofizička svojstva NTC materijala - nikl manganita Senzorski materijal

Gustina (g/cm3)

Spec. toplota,

Cp ( J/g)

Toplotna provodnost, κ

(J/scmK)

Faktor temp. promene

otpornosti materijala

TCRx106 (K-1)

Maksimalna temperatura

primene (°C)

NTC (spinel) 5,50 0,836 0,0627 10,0 400

2.1.1. Materijali za NTC termistore Materijali za NTC termistore su čvrsti rastvori metalnih oksida Mn, Ni, Fe, Co koji se odgrevaju na temperaturama reda 900-1000°C 1-2 časa, pri čemu formiraju kristalnu rešetku tipa spinela (dobili su ime po mineralu magnezijum aluminatu, spinelu, MgAl

432

2 OBA ++

2O4). Kristalna rešetka spinela je prikazana na slici 2.1. Kasnije se ovako dobijeni materijal melje, presuje u pogodne oblike i sinteruje na temperaturama 1100-1200°C. Na mestu A mogu se nalaziti dvovalentni metali tj. njima odgovarajući oksidi AO (NiO, CoO, CuO, FeO), a na mestu B trovalentni metali tj. njihovi odgovarajući oksidi tipa B2O3 (Mn2O3, Fe2O3). Na taj način nastaju spineli FeO×Fe2O3 = Fe3O4 – magnetit, MnO×Mn2O3 = Mn3O4 – hausmanit, FeO×Mn2O3 = FeMn2O4 – gvožđe-manganit i MnO×Fe2O3 = MnFe2O4 – mangan-ferit, koji se nalaze i u prirodi. Složeniji spineli su kombinacije dva spinela tj. njihovi čvrsti rastvori. Čvrsti rastvor Fe3O4 i MnFe2O4 ima sledeći raspored jona u spinelu , gde

se težinski udeo x može menjati od 0 do 1. Spineli tipa MgAl4

32

2x-1

2 O Fe Fe Mn +++x

2O4 i ZnFe2O4 su spineli normalnog tipa koji imaju raspored atoma u rešetki Mg(Al2)O4 i Zn(Fe2)O4, dok spinel NiFe2O4 ima raspored Fe(NiFe)O4 i predstavlja inverzni spinel, jer su dvovalentni atomi u zagradi na mestu B u spinelu, a trovalentni atom se nalazi spolja na mestu A [5]. Svi drugi oblici spinela leže između normalnih i inverznih i nazivaju se mešoviti spineli, kao na primer: MnFe2O4 i MgFe2O4 koji u stvari imaju raspored jona , odnosno kao . Ovo znači da

u prvom spinelu postoji inverzija u sastavu od 40% a u drugom od 20%, što se odražava na poluprovodnički mehanizam kod NTC materijala (metali koji lako

431.8

20.2

30.2

28.0 )OFe(MnFeMn ++++

431.1

20.9

30.9

20.1 )OFe(MgFeMg ++++


NTC termistori

menjaju valencu u rešetki). Otpornost na sobnoj temperaturi (25°C) i TCR – faktor temperaturne promene otpornosti materijala direktno zavisi od oblika i sastava spinela. U praksi, čvrsti rastvori pomenutih oksida dobijaju se mešanjem prahova oksida Mn2O3, Fe2O3, karbonata nekih metala i drugih pogodnih jedinjenja. Smeša se granulira i odgreva na 900°C, i dolazi do hemijske reakcije koja daje spinel traženog sastava i CO2 koji se oslobađa. Dobijene polikristalne granule se melju u kugličnom mlinu do čestice veličine 1 μm, a zatim se od ovog praha pravi suspenzija za presovanje malih diskova. Ispresci se suše i sinteruju na 1200°C/1h u peći (konvejerskoj ili peći sa komorom) sa određenim temperaturnim profilom. Posle sinterovanja dobijaju se homogeni polikristalni diskovi na koje se sa obe strane nanosi PdAg pasta, koja se sinteruje na 850°C/10 min u hibridnim konvejerskim pećima. Posle toga se leme žični izvodi i pristupa električnim merenjima i sortiranju po standardima iz kataloga za ovu vrstu komponenti. Danas se sve više koriste oblici kvadra, kao kod malih komponenti za površinsku montažu. Debeloslojni termistori različite geometrije i namene štampaju se od NTC paste na Al2O3 podlogama. Pasta, osim praha NTC termistorskog materijala sadrži još i vezivno staklo tipa B2O3 i organsku smolu kao nosilac prahova, koja sagori u početnom delu procesa sinterovanja.

Slika 2.1. Kristalna rešetka spinela.

2.1.2. Mehanizam provođenja kod NTC termistora Glavni nosioci provodnosti kod NTC termistora elektroni, a metali koji menjaju valencu (Mn, Fe) ih obezbedjuju. Smatra se da elektroni preskaču potencijalnu


NTC termistori

barijeru skokovito od jona do jona. Empirijski je utvrđeno da joni istog elementa menjaju valencu iako se nalaze u spinelu na mestima koja su potpuno kristalografski ekvivalentna. Pri tome valenca se menja samo za jedinicu, kao na primer Fe2+ - Fe3+ ili Mn3+ - Mn4+. U Ni-manganitima, električna provodnost se objašnjava elektronskim skokovima između Mn3+ i Mn4+ katjona, prisutnim u oktaedarskim mestima spinela [6,7]. U NTC materijalu dolazi do provođenja ako su joni koji menjaju valencu postavljeni na bliskim – susednim B pozicijama dva spinela. Provođenja nema između A pozicija iako su susedne, jer je elektronska barijera za A-A prelaz visoka, dok je za B-B prelaz vrlo mala i termodinamički lako ostvarljiva sa malom energijom kretanja, čak i bez uticaja spoljašnjeg električnog polja radi povećanja te energije. Ovaj zaključak se može izvesti analizom provodnosti Fe3O4, koja je mnogo veća nego kod Mn3O4 i Co3O4. Fe3O4 je inverzan spinel, on na A poziciji ima Fe3+ a na B poziciji Fe2+Fe3+, te preostaje neutralni kiseonik O4. Pošto na B poziciji na dva kristalografski ista mesta postoje Fe2+ i Fe3+ joni, skok elektrona sa drugog na prvi jon je vrlo verovatan, jer za to je potrebna zanemarljivo mala energija aktivacije ΔE. Kada se ova pojava prenese kroz strukturni lanac u materijalu dolazi do kretanja elektrona pod uticajem spoljašnjeg napona, ali nema povećanja broja jona niti narušavanja elektroneutralnosti. Provodnost materijala zavisi od broja jona koji otpuštaju ili primaju elektron (donori i akceptori). Da bi se proces prelaska elektrona stalno odvijao elektroni moraju imati veću kinetičku energiju od one potrebne za jedan prelaz. Tu energiju elektroni dobijaju usled spoljašnje temperature na kojoj se nalazi materijal (termička energija) pa se zato povećava broj prelaza elektrona sa porastom temperature, raste provodnost, a opada otpornost (negativni temperaturski koeficijent – NTC). Provodnost σ je uvek proporconalna kinetičkoj energiji kT (k - Bolcmanova konstanta, T - apsolutna temperatura). Ako je ΔE minimalna energija aktivacije potrebna za jedan prelaz (oko 0.3 eV), a σ0 provodnost na beskonačno visokoj temperaturi, kad se svi elektroni koji mogu da prelaze pobude na prelaz onda se provodnost može dati sledećim izrazom

kTE

e 20

Δ−

= σσ . (2.1) Ako se na B poziciji u spinelu umesto gvožđa Fe nalazi i neki drugi metal na primer Mn, onda se menja potencijalna barijera i broj elektrona za prelaz sa jona na jon. Spinel Mn3O4 ima raspored jona u spinelu Mn2+(Mn3+Mn3+)O4, i neprovodan je potpuno, jer na B poziciji nema promene valence na Mn jonima. Da bi manganov spinel postao provodan treba zameniti malo mangana, Mn sa niklom Ni. Pri tome Ni ulazi na B poziciju kao Ni2+. Da bi se očuvala elektroneutralnost deo Mn3+ mora preći u Mn4+, pa B pozicija u spinelu dobija sledeći raspored jona: ( ). Prelazi elektrona tada se odvijaju između Mn++++ 33

2x-14x

2x Mn MnMn Nix 3+ i Mn4+, a


NTC termistori

Ni2+ ne učestvuje u razmeni elektrona. Tako se sadržajem Nix [%] podešava provodnost, mada ne dospevaju svi Ni u B poziciju, jer neki zaostanu i na A poziciji. Zato NiMn2O4 dobija sledeći raspored jona u spinelu MnxNi1-x(Mn2-xNix)O4, a nivo inverzije zavisi od recepture koja se primenjuje. Obično se uzima x = 0,74 - 0,93, a dodaje se i izvesna količina bakra, da smanji energiju aktivacije. NTC materijal sa četiri metalna oksida je složen sistem koji ima komplikovan provodni mehanizam zbog nesavršenosti nastalih prilikom sinteze neizreagovanog materijala pri kalcinaciji, nejednakog parcijalnog pritiska kiseonika O2 tokom sinterovanja i prisustva nečistoća, što dovodi do odstupanja od idealne stehiometrije. Osim toga treba kontrolisati rast zrna i pratiti difuziju nečistoća i dopanata koji služe za smanjenje energije aktivacije.

2.1.3. Zavisnost otpornosti od temperature Na slici 2.2. data je promena otpornosti termistora u funkciji temperature za različite sastave termistora na bazi Ni manganita sa (1-6% Cu). Očigledno je

odstupanje od jednačine )exp(TBAR = , tako da je osnovna jednačina koja realno

aproksimira otpornost NTC termistora data sa

...( 32 +++=TD

TC

TBART . (2.2)

Slika 2.2. Promena specifične otpornosti sa recipročnom vrednosti temperature 1/T

za različite sastave materijala Ni manganita sa 1-6% Cu.[8].


NTC termistori

Zavisnost otpornosti od temperature kod NTC termistora, umnogome zavisi od hemijskog sastava i kristalne strukture. Pokazano je da postoji jaka veza između sastava – obrade i električnih svojstava [9,10]. Postoje dva bitna parametra, B i otpornost, R, koji određuju uslove pod kojima dati termistor može da se koristi. Termistori sa velikom vrednosti B i termistori velike otpornosti se koriste pri visokim temperaturama, da osiguraju adekvatnu osetljivost. Termistori male vrednosti B i male otpornosti se koriste pri kompenzacijama temperature i merenjima na niskim temperaturama. Otpornosti trokomponentnog sastava Ni-Mn-Fe oksidnog sistema na sobnoj temperaturi, prikazani su na slici 2.3 koja ilustruje uticaj malih promena u sastavu na električna svojstva termistora. Intenzivnija izučavanja [11,12] se vrše u pokušaju da se potpuno okarakterišu NTC materijali koji bi bili korišćeni u komercijalne svrhe. Proizvođači i tehnolozi moraju voditi računa o svakom koraku proizvodnog ciklusa, počevši od pripreme materijala, raspodele čestica, homogenosti, itd.

Slika 2.3. Konture otpornosti NTC termistora na 25°C za

sastav Ni-Fe-Mn oksidа.

2.1.4. Temperaturne osobine Kada se NTC termistor poveže u električno kolo, energija se oslobadja u obliku toplote i temperatura termistora će se podići iznad temperature okruženja. Brzina promene energije koja se dodaje mora biti jednaka brzini promene energije koja se gubi, uvećana za brzinu promene energije koja se apsorbuje (energija koja se troši u nominalnim uslovima rada komponente)

dtdH

dtdH

dtdH AL += . (2.3)


NTC termistori

Brzina promene toplote koja se dodaje termistoru u električno kolo je jednaka snazi koja se oslobađa na termistoru

EIRIPdt

dH=== 2 . (2.4)

Brzina promene kojom se toplotna energija gubi u okolinu je proporcionalna povećanju temperature termistora

( AL TTT

dtdH

−=Δ= δδ ), (2.5)

gde je: disipaciona konstanta (δ), definisana kao odnos, za određenu temperaturu okoline. Promena snage disipacije termistora uslovljava promenu temperature samog termistora. Disipaciona konstanta zavisi od toplotne provodnosti i relativne promene temperature sredine u kojoj se termistor nalazi, kao i toplotne provodnosti od termistora ka okolini. Disipaciona konstanta malo varira u zavisnosti od promene temperature. To se dešava van ravnotežnog stanja. Brzina kojom se toplotna energija oslobađa sa termistora zavisi od povećanja temperature i može da se prikaže izrazom

dtdTC

dtdTsm

dtdH A == , (2.6)

gde je: (s) specifična toplota i (m) je masa termistora. Proizvod specifične toplote i mase termistora predstavlja toplotni kapacitet (C) termistora i on zavisi od oblika termistora i materijala od koga je termistor izrađen. Prema tome, jednačina toplotnog provođenja NTC termistora u zavisnosti od vremena može biti prikazana izrazom

( )dtdTCTTEIRIP

dtdH

A +−==== δ2 . (2.7)

Da bi analiza o termalnim karakteristikama termistora bila potpuna, potrebno je ispitati ponašanje u prelaznom režimu. Rešenje jednačine (2.7) gdje je snaga (P) konstantna je

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧−

−=−=Δ tC

PTTT Aδ

δexp1 . (2.8)

Jednačina (2.8) pokazuje da je snaga koja se oslobađa na termistoru značajna i temperatura tela se povećava iznad temperature sredine koja se menja u funkciji


NTC termistori

vremena. Prelazni procesi kao što je “uključivanje”, i svi ostali koji se oslanjaju na strujnu karakteristiku, su predstavljeni jednačinom (2.8). Stacionarno stanje je ostvareno kada je dT/dt=0 u jednačini (2.7) ili kada je t>>C/δ u jednačini (2.8). U ovom stacionarnom stanju, povećanje gubitaka termistora jednako je snazi termistora. Dakle

( ) TTA IEPTTT ==Δ=− δδ , (2.9)

gde je: (ET) jednosmerni napon napajanja termistora a (IT) jednosmerna struja termistora. Naponsko – strujna karakteristika termistora je predstavljena ovom jednačinom. Kada se smanji snaga termistora, njegovo samozagrevanje je neznatno, i tada se jednačina toplotnog provođenja može se napisati u obliku

( ATTCdt

dT− )−

=δ . (2.10)

Jednačina (2.10) predstavlja matematički izraz Njutnovog zakona hlađenja i ima sledeće rešenje

( )⎭⎬⎫

⎩⎨⎧−

−+=τ

tTTTT AIA exp , (2.11)

gde je: (TI) početna temperatura termistora, (TA) temperatura sredine i (τ) termalna vremenska konstanta komponente. Takođe, τ=C/δ. Termalna vremenska konstanta (τ) je vreme koje je potrebno termistoru da dostigne 63.2% temperaturne razlike, kada se promeni subjekat u step funkciji temperature neznatno iznad snage disipacije, kao što je prikazano na slici 2.4. Termalna vremenska konstanta je zavisna od same sredine kao i od disipacione konstante. Termalna vremenska konstanta i konstanta disipacije termistora su parametri koji se daju uz proizvodnu dokumentaciju, od koga je senzor izrađen, način testiranja i montiranja koji će biti koristan projektantu koji koristi komponentu. Sva ova razmatranja o termalnim osobinama NTC termistora bila su zasnovana na jednostavnoj strukturi komponente sa jednom vremenskom konstantom. Kada se bilo koja termistorska komponenta stavi u senzorsko kućište, funkcija eksponencijalnog odziva više ne postoji. Masa kućišta i toplotna provodnost materijala povećavaju disipacionu konstantu termistora i vreme odziva komponente. Termalne osobine termistora je teško predstaviti matematičkim modelom i odstupanja u proizvodnji se uvode dosta nesigurno u završno testiranje senzora koje obično zahteva da se dobiju podaci o vremenu odziva i disipacionoj konstanti.


NTC termistori

τ

63,2 %

T1

T0

Tem

pera

tura

Vreme Slika 2.4. Vremenski odziv termistora pri uključenju na konstantni napon.

2.1.5. Stabilnost i vreme odziva NTC termistora U primeni termistora dva faktora su od najviše važnosti za korisnika. Prvo, komponenta mora da se ponaša u skladu sa specifikacijom i to bi trebalo da odgovara mehaničkim i električnim zahtevima. Drugo, da se termistor u određenom intervalu vremena mora ponašati kao i onda kada je bio napravljen. Jedan od osnovnih nedostataka ranije proizvođenih termistora bila je nemogućnost očuvanja njihovih električnih karakteristika u toku radnog veka. Neponovljivost ili starenje sa vremenom je bilo uočljivo kao povećanje promene vrednosti otpornosti na specificiranim (karakterističnim) temperaturama i bilo je izraženo na višim temperaturama. U toku proizvodnje termistora tehnologija je usavršavana i efekat starenja je sve manje izražen, tako da se sada garantuje dobra stabilnost komponente. Stalan napredak u stabilnosti termistorskih komponenti se postiže empirijskim različitim istraživanjima koja uključuju kontrolu čistoće materijala, unapređivanje tehnike pravljenja, preciznu kontrolu temperature pri procesu sinterovanja, itd. Takođe, to se postiže i u okviru nekih osnovnih istraživanja u procesu proizvodnje termistora. Posmatrana velika promena otpornosti bila je pripisana širenju nečistoća u telu keramičkog materijala u vidu lavine i stabilnošću otpornosti pri samom radu termistora u nekom otvorenom kolu. Od starenja pod normalnim uslovima retko, mogu da se pojave vidljive pukotine (nečistoće). Starenje termistora se definiše kao promena otpornosti nakon nekog određenog vremena. Promene otpornosti u funkciji vremena kod NTC termistora, mogu se predstaviti sledećom jednačinom

( )000 ln ttRRRdR −=−= , (2.12)


NTC termistori

gde su R0 i t0 početne vrednosti otpornosti i vremena. Na slici 2.5 su dati najranije objavljeni podaci o stabilnosti za neke materijale [12]. Mnoga ispitivanja pokazuju da na starenje termistora utiču hemijski sastav, proces izrade, porast temperature. Krive otpornosti u funkciji vremena mogu biti veoma korisne u predviđanju očekivanog vremena života termistora, kao i tačnosti samog merenja.

Slika 2.5. Karakteristike starenja za dva termistorska materijala -R (t); Materijal I-Nikl manganit sa 1% Cu-manja stabilnost; Materijal II-Nikl manganit sa 0,5% Cu

(veća stabilnost). Starenje termistora veoma zavisi od termičkog tretmana [13]. Žarenje na 850 °C, koje je praćeno brzim hlađenjem, vodi ka smanjenju otpornosti od 20 % (sa 1635 Ωcm u poređenju sa 2044 Ωcm). Sam fenomen ″starenja″ je povezan sa migracijom katjona između podrešetki i/ili izmene oksidacionih stanja. Da bi se odredio mehanizam starenja, pre svega je neophodno utvrditi na kojoj vrednosti otpornosti će termistor raditi (definiše se radni opseg otpornosti). Test starenja se praktično sprovodi sa zalemljenim i nezalemljenim disk i štap termistor tipom koji imaju skoro identičan vek u pogledu starenja naglašavajući činjenicu da provodna žica i lem korišćeni pri testu ne utiču na promenu otpornosti termistora. Ovaj način je prihvatljiv samo kod sopstvenih poluprovodničkih materijala i kada je spoj elektroda metal-poluprovodnik potencijalni izvor starenja. Ne postoji direktan metod koji pokazuje da spoj elektroda metal-poluprovodnik, koji je neophodan za električna merenja, ne utiče na promenu otpornosti. Ipak, postoji nekoliko indirektnih tehnika koje mogu biti upotrebljene da se eleminiše taj uticaj na otpornost termistora. One uključuju:

1. Korišćenje različitih vrsta alternativnih plemenitih metala ili njihovih legura kao elektrodnih materijala. Nereflektujući i omski kontakti su uobičajeni.

2. Upoređivanje starenja disk i rod termistora istih prečnika, ali sa različitim debljinama sloja, tako da je otpornost elektroda promjenjljivih proporcija u odnosu na otpornost termistora.


NTC termistori

3. Promenom sastava poluprovodnočkog materijala preko širokog kompozitnog opsega poluprovodničkih materijala.

4. Četiri završna merenja na rod komponentama, gde je otpornost kontakta eleminisana tako što je predložen sopstveni poluprovodnički materijal koji je pouzdan za fenomen starenja (rezultati su bili manje ubedljivi od ostalih tehnika).

Promena vrednosti otpornosti poluprovodničke paste može biti posledica jednog od tri različita mehanizma. Prvi je određen promenom u hemijskom sastavu oksida keramike. Na niskim temperaturama (npr. 0-300ºC) na kojima je starenje posmatrano, ta promena će biti više određena udelom kiseonika u kompozitnim oksidima, a manje udelom metalnih komponenti u hemijskom sastavu. Gubitak kiseonika na dobro sinterovanom - nikl manganitu je prikazan kao gubitak kiseonika za stehiometrijski odnos samo na temperaturama iznad 800ºC i to tako da je taj gubitak praćen sa promenom električne otpornosti. Slične studije za NiMn2O4 – Mn3O4 sa sličnim sastavima mogu biti iskorišćene praktično u proizvodnji termistora pridajući veći značaj stabilnijem čistom NiMn2O4 kod koga je pokazano da dolazi do gubitka kiseonika isključivo na temperaturama iznad 1200ºC. Eksperimenti starenja koji su izvođeni kombinacijama tečnih i gasovitih okruženja u kojima se nalazi termistor, pokazuju da sadržaj kiseonika iz atmosfere nema uticaja na fenomen starenja. Drugi mehanizam starenja uključuje preuređenje raspodele katjona u keramičkom materijalu dok kompozicija ostaje konstantna. Treći mehanizam starenja termistora je posledica promena koja mogu da se dogode vremenom u elektronskom stanju na površini kristala u kontaktu sa svakom od polikristalnih keramika. Promene se mogu javiti u koncentraciji nosilaca, njihovoj pokretljivosti ili ostalim mikro parametrima koji utiču na promenu otpornosti.

Poboljšanje mehaničke stabilnosti NTC termistora se postiže raznim tipovima prevlaka, staklenim i polimernim, koje se koriste u cilju zaštite senzora od vlage i naprezanja. Međutim, ove prevlake utiču na toplotni odziv senzora. Vreme odziva debeloslojnog i disk termistora zavisi od brzine prenosa toplote konvekcijom, kondukcijom i zračenjem. Ako se zanemari zračenje, onda brzina razmene toplote sa vazduhom zavisi od temperature vazduha, vlažnosti, kao i brzine njegovog strujanja. Prenos toplote sa termistora na okolinu zavisi od površine termistora, debljine termistorskog sloja i debljine podloge, kao i toplotne provodnosti termistorskog sloja i toplotne provodnosti podloge. Modelovanje ove pojave matematičko−fizičkim modelom je izuzetno složeno, tako da se pribegava eksperimentalnom merenju promene otpornosti termistora u funkciji vremena korišćenjem brze akvizicione kartice. Ukoliko senzor ima prevlake od stakla ili plastike, prenos toplote zavisi takođe i od debljine i toplotnih svojstava tih prevlaka. U poslednje vreme, teži se realizaciji što tanjih prevlaka i izolacionih slojeva senzora od naprezanja, sve u cilju brzog vremena odziva. NTC katalozi pokazuju da


NTC termistori

je korišćenje metalnih kućista veoma često. Alternativan pristup je postavljanje visokoprovodne podloge na površinu senzora, što obezbeđuje dobro prenošenje toplote na okolnu sredinu (fluide). Tolplotno visokoprovodne prevlake mogu da obezbede električnu i hemijsku zaštitu, i ukoliko su dovoljno tanke, neće imati preveliki uticaj na vremensku konstantu ili tačnost merenja. Za zaštitu senzora od agresivne hemijske okoline koristi se mnoštvo polimernih, metalnih i neorganskih prevlaka ili kućišta.

2.2. Debeloslojni termistori

2.2.1. Tehnika izrade debelih slojeva Tehnologije debelih i tankih slojeva se jednim imenom nazivaju hibridnim tehnologijama, a električna kola njima realizovana hibridnim kolima. Tanak sloj na podlozi se naziva filmom. Slojevi debljine do 1 μm (uslovno) nazivaju se tankim slojem, a iznad 1 μm debelim slojem. Osim debljine, razlike postoje i u mikrostrukturi, kao posledica primenjene tehnike nanošenja na podlogu. Tanki i debeli slojevi obezbeđuju niz prednosti u odnosu na klasičnu tehnologiju štampanih ploča, pre svega u pogledu električnih osobina, (tabela 2.2), ali i u pogledu cene. U tabeli 2.3 su date prednosti tankih i debelih slojeva u odnosu na klasična električna kola na štampanim pločama, a u tabeli 2.4 prednosti hibridnih kola (realizovanih uz pomoć tankih i debelih slojeva) u pogledu ekonomskih aspekata proizvodnje. Tabela 2.2. Električne osobine debelih i tankih slojeva

OSOBINE DEBELI SLOJ TANKI SLOJ Otpornost otporničkih slojeva 1-100 MΩ / 10-500 MΩ / Temperaturni koeficijent otpornosti ± 50 ppm/°C ±5 ppm/°C Šum 3 μV/V 0,05 μV/V Stabilnost 1% 0,06% Otpornost provodnih slojeva 3-30 mΩ/ < 1mΩ/ Debljina sloja 6-15 μm < 1,5 μm Gustina pakovanja srednja visoka Minimalna širina linije > 0,1 mm > 0,05 Stepen smanjenja u odnosu na klasična kola 4-6 10-20 Cena niska visoka Sve navedene prednosti dovele su do široke primene debeloslojnih i tankoslojnih kola u više oblasti: u industriji (profesionalna elektronika), tehnologiji mikrosistema (MST) kao i u vojne svrhe. Tankoslojna i debeloslojna tehnologija se razvijaju i stalno usavršavaju. Povećava se broj materijala i procesa, povećava se


NTC termistori

preciznost, postiže se veći stepen minijaturizacija. U praksi je debeloslojna tehnologija zastupljena više od tankoslojne. Tabela 2.3. Prednosti hibridnih kola u odnosu na električna kola na štampanim pločama

1. Rad kola na visokim frekvencijama 2. Velika gustina (4-20 puta) montaže komponenti 3. Raznovrsnost u projektovanju 4. Dugoročna stabilnost i pouzdanost kola 5. Nizak koeficijent promene otpornosti sa temperaturom 6. Male apsolutne i relativne tolerancije električnih parametara 7. Mogućnost funkcionalnog i apsolutnog trimovanja komponenti 8. Bolje termičke karakteristike kola (usled velike toplotne provodnosti podloge)

Tabela 2.4. Prednosti hibridnih kola po ekonomskim aspektima proizvodnje (u odnosu na klasična električna kola na štampanim pločama)

1. Minijaturizacija-smanjenje veličine i težine 2. Veća gustina pakovanja električnih komponenti 3. Niža cena nanetih otpornika 4. Veća pouzdanost i manji troškovi garancije ispravnog rada uređaja 5. Lako servisiranje i popravka 6. Jednostavna izrada i montaža 7. Niska cena razvoja

Osnovni procesi u tehnologiji debelog filma (hibridna mikroelektronika) su:

- izrada hibridne paste (materijali za debeli sloj); - štampanje; - sušenje; - sinterovanje hibridnih pasti na podlozi.

2.2.2. Paste i podloge za debele slojeve

Sastav i struktura debeloslojnih pasti su od presudnog značaja za električna i mehanička svojstva debelog filma. Pasta, koja se sito štampom nanosi na podlogu, sastoji se iz tri komponente: organska smola i rastvarač, vezivna komponenta (staklo ili epoksid) i funkcionalni deo koji je nosilac električnih, dielektričnih i magnetnih svojstava paste. Na osnovu svojstava funkcionalne komponente, paste mogu biti: provodne, otporne, izolacione, dielektrične, magnetne, poluprovodne, superprovodne itd. Paste koje sadrže staklo kao vezivni materijal se sinteruju na 850°C, a one koje sadrže epoksid kao vezivni materijal polimerizuju na 150-250°C. Sastav pasti za primenu u hibridnoj mikroelektronici je dat u tabeli 2.5.


NTC termistori

Tabela 2.5. Sastav pasti za primenu u hibridnoj mikroelektronici Svojstva paste Provodna Otporna Izolaciona

1. Funkcionalni prahovi

Au, Pd/Au, Pt/Au Ag, Pd/Ag Ni,Cu,Mo, Pd/Ag/Pt

Bi2Ru2O7RuO2, TiO2 Pb2Ru2O6 CaNa(Nb,Ti)2O6(F,OH)

BaTiO3Stakla Oksidi Al2O3/stakla

2. Vezivo (prahovi) Borsilikati, aluminosilikati, oksidi, mešovita oksidna stakla

3. Organska smola (nosilac prahova)

Etil celuloza ili akrilati Rastvarač: terpinol alkohol

Za proces štampanja hibridne paste najznačajnija osobina je viskoznost, tj. trenje kada jedan sloj paste pod pritiskom klizi preko drugog. Paste u odnosu na tečnosti imaju vrlo veliku viskoznost. Viskoznost paste je temperaturno zavisan parametar i pri udvostručenju sobne temperature moze se promeniti za red veličine. U hibridnu pastu dodaju se i razna veziva i aditivi koji imaju ulogu da snize temperaturu sinterovanja debelih slojeva. Izbor podloge na koju se nanosi pasta zavisi od tipa paste i uloge podloge u električnom kolu. Kao materijali za podlogu se najčešće koriste: Al2O3, BeO, AlN, s tim da se u najvećem broju slučajeva koristi Al2O3. Osnovna svojstva keramičkih podloga za debeloslojna kola navedena su u tabeli 2.6. Tabela 2.6. Osnovna svojstva keramičkih podloga.

Materijal Osobina

Dimenzije

85%

Al2O3

96%

Al2O3

99.5% Al2O3

99.5% BeO

Gustina

g cm-3

3.4

3.75

3.9

2.9

Maksimalna dopuštena temperatura °C 1400 1700 1900 2500

Tačka topljenja °C 1910 1950 2000 2570 Koeficijent toplotnog širenja × 106

20 − 200°C 20 − 600°C 20 − 1000°C

6.2 7.0 7.6

7.7 8.0 8.4

6.7 7.6 8.2

5.8 8.1 9.4

Koeficijent toplotne provodlj. na 25°C J/cm s°C 0.146 0.251 0.322 2.386

Zapreminska specifična otpornost na 25°C

Ω cm

1014

>1014

>1014

>1014

Temperatura na kojoj je zapreminska specifična otpornost=106 Ωcm

°C 850 1000 1000 1240

Relativna dielektrična konstanta ε' − 8.2 9.0 9.5 6.5

Faktor gubitaka, tgδ × 10-4 − 6 5 − 10 3 − 9 4

Dielektrična čvrstoća kV/mm 9.2 9.5 10 9.8


NTC termistori

Osim keramičkih podloga, u novije vreme se koriste i podloge na bazi porcelan čelika, tzv. PES–podloge (porcelan–enamel steel). Te podloge su načinjene od čeličnog jezgra debljine 0.7 mm presvučene slojem emajla debljine do 0.2 mm. Odlikuje ih velika mehanička čvrstoća, visoka toplotna provodnost, dobar kvalitet površine i niska cena. Nedostatak je pojava topljenja emajla na temperaturi od oko 650ºC, što je niže od temperature sinterovanja standardnih pasti za otpornike i provodne puteve. Taj nedostatak PES podloga otklanja se razvojem posebnih pasti koje se sinteruju na nižim temperaturama. Za koju veličinu podloge se opredeliti? Obično postoji zahtev koje dimenzije debeloslojno ili hibridno kolo ne bi smelo da prelazi, kako se ne bi narušio ostali deo uređaja. Može se odrediti i neka željena dimenzija, dok je treći način da se saberu površine koju zauzimaju komponente za površinsku montažu zajedno sa stopicama za lemljenje i pomnoži sa tri (površinske komponente + površina provodnika + izolacioni razmaci). Tako dobijena površina obično se uzima kao početna pri projektovanju hibridnih kola. Konačne dimenzije potrebne podloge dobijaju se tek kada se nacrta kompletna hibridna šema i izvrše korekcije. Ukoliko ima nekih specifičnosti one se naknadno uračunaju. Izborom širine linija takođe se može uticati na veličinu podloge, odnosno povećanjem gustine "pakovanja" komponenti smanjuje se veličina podloge. Na veličinu podloge može se uticati i izborom komponenti jer za integrisana kola na raspolaganju postoji više tipova kućišta, kao i sama Si pločica bez kućišta, a veličina podloge zavisi i od tipa hibridnog kola: "višeslojnog" ili "jednoslojnog". Kod višeslojnog hibridnog kola površina, koju zauzima Si pločica sa bondovima manja je 5–10 puta od površine koja bi bila zauzeta u jednoslojnom hibridnom kolu. Provodni putevi i izolacija između njih (prazna polja) zauzimaju daleko manju površinu podloge kod višeslojnih debeloslojnih kola, s obzirom da su raspoređeni u nekoliko slojeva jedan iznad drugog.

2.2.3. Konstrukcije i osnovna svojstva debeloslojnih termistora Tokom razvoja NTC termistora javljale su se različite ideje u pogledu konstrukcionih rešenja da bi se postigla odgovarajuća (tražena) svojstva, jer otpornost npr. u velikoj meri zavisi od geometrije termistora. Danas se prave termistori sledećih geometrija:

• pravougaoni; • disk; • sendvič; • višeslojni; • češljasti – interdigitated; • segmentirani.


NTC termistori

Na slici 2.6 je prikazan izgled uobičajenih geometrijskih struktura koje se koriste kod debeloslojnih termistora, dok tabela 2.7 daje geometrijske parametre koje bliže opisuju sliku 2.6.

2 1

S

d

disk a) presek termistora i pogled odozgo

w

l

d3 21

pravougaoni b) presek termistora i pogled odozgo

dS

l

w

3

21

sendvič c) presek termistora i pogled odozgo


NTC termistori

S

d

l

3 1

2

višeslojni d) presek termistora i pogled odozgo

l

w

d

3 2 1

češljasti e) presek termistora i pogled odozgo

d3l

w

32 1

segmentirani f) presek termistora i pogled odozgo

Slika 2.6. Poprečni presek planarnih NTC termistora:1- PdAg elektrode,

2 - NTC termistorski sloj,3 - podloga (alumina).[14]


NTC termistori

Tabela 2.7. Parametri NTC termistora; S - aktivna površina elektroda, d - debljina NTC sloja, w - sirina NTC sloja, 1- dužina NTC sloja.

Disk S – površina, h – debljina Pravougaoni l – dužina, w – širina, d – debljina

Sendvič S – površina, d – debljina Višeslojni S – površina, d – debljina,

n – broj slojeva Segmentirani S – površina, d – debljina,

n – broj segmenata Češljasti l – dužina, w – razmak elektroda,

d - debljina

Uzimanjem konkretnih vrednosti za R, S, l, h, d, w i n može se izračunati zapreminska otpornost ρ na sobnoj temperaturi, tabela 2.8. U tabeli 2.8. su dati izrazi za otpornost datih geometrijskih struktura koji zavise isključivo od geometrijskih parametara i svojstava materijala od kojeg su načinjene strukture. Tabela 2.8. Izrazi za električni otpor kao funkcije geometrijskih parametara debeloslojnih termistora

Disk dSR vρ=

Pravougaoni wdlR vρ=

Sendvič SdR vρ= , lwS =

Višeslojni SndR v

2ρ= , lwS =

Češljasti ndlwR v 2

ρ=

Segmentirani lwndR v

2ρ=

2.3. Primena NTC termistora NTC termistori se u elektronici uglavnom koriste za kontrolu temperature i alarmiranje od požara, merenja temperature, kontrolu protoka, zaštitu pri uključenju, temperaturnu kompenzaciju otpornosti, itd. Glavne prednosti ovih naprava su niski troškovi proizvodnje, pogodnost pri normalnim uslovima primene (kada je temperatura keramike niža od kritične temperature degradacije keramike i kontaktnog materijala), kao i jednostavnost [15]. Ni-Mn oksidi su veoma pogodni zbog njihove niske otpornosti na sobnoj temperaturi, pa se zbog toga široko koriste za izradu


NTC termistori

naprava koje rade na sobnim temperaturama. Zavisno od potrebne kombinacije otpornosti koju zahtevaju projektovani senzori, NTC termistori se izrađuju od multivalentnih oksida prelaznih metala, kao što su NiO, Mn3O4, Co3O4, Cu2O3 i Fe2O3

[16] i oni su još pogodniji za primenu. NTC termistorska karakteristika predstavlja linearnu zavisnost prirodnog logaritma otpornosti u funkciji recipročne vrednosti apsolutne temperature. Kontrolom i promenom sastava i temperature sinterovanja debeli slojevi Ni-Mn-Co-(Fe) oksida obezbeđuju mnogo više fleksibilnosti u dizajnu, kao i opsegu električnih i termičkih svojstava. NTC termistori se koriste u mnogim električnim i elektronskim proizvodima. Za temperaturno najosetljivije primene koristi se Ni1-xMn2+xO4, (x predstavlja odstupanje od stehiometrijskog odnosa NiO:Mn2O3). Prednost ove keramike u odnosu na ostale, je njena toplotna stabilnost i dobre karakteristike starenja, kao što su male promene u provodljivosti tokom dugog perioda i dug životni vek komponenti.

2.3.1. Primena NTC termistora za merenje temperature i merenje protoka

Merenje temperature Za merenje temperature koristi se Witstonov most sa NTC termistorom u dve naspramne grane, (slika 2.7) ili u jednoj grani, (slika 2.8). Instrument za merenje struje (napona) zamenjen je A/D konvertorom čiji je izlaz vezan na računar koji služi za akviziciju podataka. Računar poseduje R/T algoritam koji se softverski unosi u računar i predstavlja digitalizovanu krivu za baždarenje. Displej kalkulatora ili računara pokazuje temperaturu ili daje dijagram promene temperature sa vremenom, preračunava protok fluida i slično. Otpornost NTC termistora se menja 4%/°C a treba voditi računa i o starenju termistora koje posle dužeg vremena dovodi do greške i do 1%. Da bi se tačnost merenje očuvala potrebno termistor baždariti u klima komori, meriti vlažnost vazduha itd. Primenom diferencijalne šeme (slika 2.7) i korišćenjem multimetra sa više od 9 cifara moguće je meriti promene temperature od 0,001°C, naravno ukoliko se radi o sporo promenljivim temperaturama (inače bi inercija sistema unela velike greške u merenjima). Vrednost diferencijalnog naponskog signala u dijagonali mosta sa slike 2.7 je data sledećim jednakostima

SS

A RRR

UU+

=1

, mm

B RRR

UU+

=2

(2.13)

)RR

RRR

R(UUUU

m

m

s

sBAAB +

−+

=−=21

(2.14)


NTC termistori

0.00034 501

multimetar

A

B

R1 R2

R RS m

U

Slika 2.7. Slepi i aktivni NTC termistor u Witstonovom mostu za (diferencijalno) merenje temperature, protoka fluida ; RS – slepi termistor, Rm – merni termistor.

RNTCR

RcRk

T

Rc

Rk

RRNTC

Slika 2.8. Temperaturna kompenzacija Rc pomoću R u paraleli sa RNTC ,

Rk – temperaturno kompenzovana ukupna otpornost. Merenje protoka Merenje nivoa tečnosti ili detekcija protoka obavlja se rednom vezom fiksnog i NTC otpornika kroz koje teče dovoljno velika struja da se termistor zagreje iznad temperature okoline. Kontakt sa tečnostima čiji se nivo diže ili sa fluidom koji jače prostruji, hladi termistor i diže otpornost tj. napon na termistoru. Nagib krive između te dve radne tačke (V1 max i V2 min) može da se menja promenom otpornika RS (slika 2.9).

RNTC

Rs

V

I

VB V1 V2

k1

k2

VB

VB/RS Slika 2.9. Termistorski nivometar za merenje nivoa tečnosti ili protoka fluida, V1 i V2

radni naponi na termistoru prilikom regulacije nivoa ili protoka, k1 i k2 – krive zavisnosti napona od struje termistora.


NTC termistori

2.3.2. Električni mostovi sa NTC termistorima Kao što je već ranije navedeno, jedan od najkorišćenijih mostova je Vitstonov (Wheatstone) most, i sve njegove modifikacije u zavisnosti od vrste merenja. Uobičajeni metod primene termistora za precizno merenje temperature, bez skaliranja i prekomernog sužavanja skale, je kada se termistor nalazi u linearnoj mreži, u jednoj grani Vitstonovog mosta kao što je to prikazano na slici 2.10.

Rg

RR1

R2 R3Ig

I2

I1I1-Ig

I2+Ig

Vb

Slika 2.10. Vitstonov (Wheatstone) most za merenje temperature.

Struju Ig koja prolazi kroz mernu granu u kojoj se nalazi indikator promene možemo izraziti u funkciji vrednosti otpornika linearne mreže na sledeći način

( )( ) ( )gggg

bg RRRRRRRRRRRRRRRRRR

RRRRVI

3232132323121

231

+++++++−

= , (2.15)

odnosno u obliku

( )qpR

mRlVI b

g +−

= , (2.16)

gde su l, m, p i q konstante. Iz ove jednačine se vidi da promena merene struje linearna funkcija promene vrednosti otpornosti termistora R. Korišćenjem termistora sa tačnošću od ±1%, moguće je realizovati jednostavan termistorski termometar koji ima maksimalno temperaturno odstupanje od linearnosti ±3ºC za temperaturni opseg od 100ºC, ±0,75ºC za 40ºC opseg i ±0,5ºC za opseg temperature od 20ºC. Pokazano je da sa pojednostavljenim mernim mostom mogu biti napravljeni elektronski termometri sa maksimalnom greškom od ±1ºC koji rade iznad temperaturnog opsega od 50ºC koristeći standardne komercijalne termistore koji


NTC termistori

imaju toleranciju otpornosti od ±20% za njihove nominalne otpornosti, dok se za B uzima da je tolerancija ±5%. Jedan od nedostataka jednostavnih kola sa mostovima je taj da osetljivost opada sa porastom radne temperature zajedno sa opadanjem temperaturnog koeficijenta otpornosti termistora. Kompenzacija u cilju dobijanja konstantne osetljivosti ostvaruje se tako što promena struje koja protiče kroz galvanometar u funkciji temperature, dIg/dT, ne zavisi od promene otpornosti termometra. Pitts and Priestley [18] su bili u stanju da prevaziđu taj problem za temperaturni opseg iznad 15ºC sa maksimalnim odstupanjem od ±1ºC uvodeći promenljivi otpornik ( A na slici 2.11 u osnovnom mostu). Promenljivi otpornik ima deo otpornosti u mostu a ostatak u kolu sa napajanjem.

A

A-YY

-t

Ra

Rb

Ra

G

Slika 2.11.Termistorski most koji ima manju konstantu osetljivosti izvan

limitiranog opsega temperature. Jedan primer primene mostova je kod gasne hromatografije, slika 2.12. Razdvojene organske supstance iz male količine uzorka smeše na specifičnim kolonama se dovode do detektora. Ovde odstupanje može da bude eliminisano korišćenjem dva fiksna otpornika u seriji (R6i R8) i otočnih otpornika (R5 i R7) sa dva detektora promene, termistora (R1i R4), kao što je prikazano na slici. 2.12.

2.3.3. Termistorski bolometri (termistorski pirometar) Princip rada bolometara je apsorpcija IC toplotnih zraka i promena otpornosti na osnovu toga. I u ovom slučaju se koristi Vitstonov most i slepi i aktivni planarni termistor. Na taj način mere se posredno temperature u peći bezkontaktno na 1m daljine, kao kod svih pirometara.


NTC termistori

R1 R2

R3R4

R5

R6

R7

R8

R9 R10

E

Slika 2.12. Kompenzovan Vitstonov (Wheatstone) most

sa malom tolerancijom.

Termistorski bolometri mere vrlo visoke temperature putem apsorpcije toplotnog zračenja koje zrače usijana tela. Kod NTC bolometra se meri toplotno zračenje koje se kasnije izbaždari na temperaturu koristeći Vinov zakon i Štefan–Bolcmanov zakon. Zračenje se ne meri kontinualno već koriščenjem mehaničkog prekidača, blende, čopera ili elektronskog čopera. Za razliku od konstrukcije za merenje vlage, NTC bolometri imaju znatno veće površine za apsorpciju zračenja i kvarcni prozor iznad mernog (aktivnog) senzora. Meri se uvek sa istog odstojanja od izvora zračenja, radi baždarenja napona na mostu u mV u absorbovanu toplotu, tj. temperaturu zagrejanog tela. Za razliku od merača vlage koji ima plastično ili stakleno kućište, kod bolometra je kućište metalno zbog temperature ambijenta. Potreban uslov merenja je da ambijentalna temperatura senzora ne bude veća 50-100°C, jer je termistor iznad 150°C neosetljiv na promene temperature (kraj opsega). To je glavni razlog što se pri merenju koristi čoper tj. pobuda je impulsno zračenje. Na slici 2.13 prikazana je tipična merna šema NTC bolometra. Frekvencija čopovanja je obično 30 Hz, odziv 2 sekunde, a specifična osetljivost senzora reda 4 x 107 cmHz-1/2W-1 ili oko tri puta više nego termopar i Golej detektor [19]. Osim navedene konstrukcije postoje i druge, a od termistorskog bolometra osetljiviji je superprovodni bolometar (na vrlo niskim temperaturama).


NTC termistori

0.00034 501

multimetar

R R

R RNTC NTC

S m

C C

s m

kvarcno staklo

elektrode

Slika 2.13. Tipična merna šema NTC bolometra za posredno

merenje visokih temperatura.

2.3.4. Primena NTC termistora u kolima za kašnjenje Jedna od širih primena zasnovanih na strujnoj karakteristici termistora, je primena u kolima za kašnjenje, nakon uključivanja struje u električno kolo. Termistori koji se prave za ovu namenu, imaju vreme odlaganja koje se kreće od delova sekunde do jednog minuta. Nedostatak ove metode je temperaturna zavisnost otpornosti termistora i efekat velikih varijacija na vreme odlaganja pri primenjenim naponima. NTC termistori su pogodni za primenu u kolima za kašnjenje (slika 2.14a) gde akcenat nije na tacnosti vremenskog inetrvala već na obezbeđivanju minimuma kašnjenja, koji mora biti primenjen za određene uslove. Ovi termistori mogu biti primenjeni i za jednosmernu i naizmeničnu struju. Najjednostavnije kolo za kašnjenje je (relay cod) Rc , termistor koji je redno povezan sa primenjenim naponom Vn. NTC termistor se zagreva, njegova otpornost opada, struja kontinualno raste, sve dok, nakon određenog vremenskog perioda posle 50 s ne dostigne nominalnu vrednost, slika 2.14b.

PNTC

Rp Rc IVn

Slika 2.14a Šema kola za kašnjenje; Rc-redni termistor, Rp-potrošač,

I-struja uključenja, P-prekidač.


Modelovanje NTC termistora

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40

t [s]

I [A]

50

I1

I2

Slika 2.14.b. Potiskivanje impulsa i kašnjenje uključenja. Struja uključenja I1 bez

NTC termistora i struja uključenja I2 sa NTC termistorom na red u kolu. Struja nastavlja da raste, sve dok se ne postigne ravnoteža između toplote generisane na termistoru i toplote predate okolini. Nakon prve operacije, termistori primenjeni u kolima za kašnjenje, treba da se ″ohlade″ do njihove početne vrednosti otpornosti pre druge operacije. Ukoliko se vrednost otpornosti termistora ne vrati na poćetnu, drugi vremenski interval biće kraći od prvog.

3. Modelovanje NTC termistora Temperaturna karakteristika poluprovodničkog oksidnog materijala korišćenog za NTC termistore je data u obliku

( )TBAR /exp −⋅= , (3.1)

gde je B konstanta materijala, a ∞= RA konstanta ekvivalentna otpornosti komponente (termistora) na sobnoj temperaturi. Da bi se odredila konstanta B, neophodno je izvršiti precizna merenja otpornosti za dve različite vrednosti temperature,

( )( )21

21

/1/1/ln

TTRR

B−

= . (3.2)

Znajući B i A, moguće je odrediti i R u pouzdanom temperaturnom opsegu (odavde se vidi glavna temperaturna zavisnost konstante B). Empirijska formula koja je pogodna za temperature van određenog opsega, izvedena je preko tehnike fitovanja karakteristika, i naziva se Steinhart-Hart-ova jednačina [20]

( )3lnln1

RcRbaT

⋅+⋅+= , (3.3)



gde su , i konstante dobijene fitovanjem karakteristika, R je otpornost izražena u Ω a T je temperatura izražena u stepenima K. Merenjem otpornosti za tri različite temperature i rešavanjem seta jednačina za R, moguće je odrediti R(T) karakteristiku.

a b c

Međutim, nijedna od tih karakteristika ne sadrži vezu između složenih parametara termistorskih struktura (geometrijski parametri: veličina, oblik, debljina sloja i karakteristike materijala: dielektrična permitivnost, zapreminska provodnost, tangens ugla gubitaka) i otpornosti termistora. Uobičajen prilaz kod serijske proizvodnje termistora je da se gore navedeni geometrijski parametri i karakteristike materijala menjaju i prate se odstupanja merenja i ekstrapolacija zahtevanih karakteristika pa se dobijeni rezultati koriste za naredni dizajn sličnih komponenata. Ova činjenica ukazuje na potrebu za efikasnijim procesom dizajna u koji će biti uključeni strukturni parametri kao i karakteristike materijala. Ovaj vid dizajniranja komponenata obezbeđuje se modelovanjem debeloslojnih NTC struktura.

3.1. Modelovanje disk termistora Različite debeloslojne planarne geometrije su štampane na koristeći NTC

3K3 95/2 termistorsku pastu (EI IRITEL). NTC 3K3 pasta korišćena je za ispitivanje promene otpornosti u funkciji geometrije na sobnoj temperaturi . Elektrode su

štampane od PdAg paste. Štampan je disk termistor (sinterovan na 1200°C/30 min) kod koga su promenljive bile: debljina aktivnog sloja, razmak, raspored i površina elektroda. Pogled odozgo i poprečni presek planarnog debeloslojnog NTC disk termistora, kao i odgovarajuća jednačina za izračunavanje otpornosti R (idealan model) prikazani su na slici 3.1.

32OAl

25R

S

d

dSR ⋅= ρ

Slika 3.1. Planarni NTC disk termistor: poprečni presek i pogled odozgo.



Sa izraza na slici 3.1 se vidi da je S površina NTC sloja ( , π2rS = r -poluprečnik disk termistora) a d je debljina NTC sloja.

3.2. Modelovanje debeloslojnih termistora Modelovanje debeloslojnih termistora se radi na isti način kao i modelovanje disk termistora samo su geometrije različite. Geometrijske strukture koje se koriste pri izradi NTC termistora su: pravougaoni, disk, sendvič, višeslojni, češljasti i segmentirani, (slika 2.6). U tabeli 2.7 su date jednačine koje opisuju pojedinačno svaku od geometrija sa geometrijskim parametrima.

3.2.1. Fizički model debeloslojnih termistora U eksperimentima koji su opisani u [21] sa različitim debeloslojnim termistorskim strukturama, difuzija metalnih elektroda u NTC sloj utiče na površinsku otpornost za više od jednog reda veličine u poređenju sa dopiranom oblašću pravougaone debeloslojne strukture. Odstupanje od idealnog modela za debele filmove je bilo veće u slučaju kada su elektrode bile bliže postavljene jedne drugoj, tako da to treba uzeti u obzir. Zavisnost vrednosti otpornosti od geometrijskih parametara debeloslojnih termistorskih struktura je deo potpunog fizičkog modela otpornisti termistora koja je data jednačinom

( ) ( ) ( )tfendwlRdR TB

−= ,,,ρ , (3.4)

gde su ρ - specifična otpornost, - debljina termistorskog sloja, l - dužina, - širina, - broj gornjih elektroda,

d wn B - NTC faktor, T - temperatura i - vreme. t

Prvi član u jednačini (3.4) daje vezu između vrednosti specifične otpornosti i geometrijskih parametara strukture, dok drugi član predstavlja čisto geometrijsku zavisnost otpornosti termistorske strukture. Treći član predstavlja zavisnost otpornosti termistora od temperature, dok četvrti predstavlja brzinu provođenja toplote kroz NTC sloj i substrat od alumine. Modelovanje efekta difuzije na spoju metalnih elektroda i NTC sloja je prvi korak u potpuno realnom modelovanju otpornosti debeloslojnih termistorskih struktura [22]. Ova otpornost je kompleksna funkcija difuzionog efekta, geometrijskih parametara, temperature i vremena (za termistore u prelaznom režimu). Prvo se izmeri vrednost otpornosti debeloslojnog termistora, koja je određena geometrijskim parametrima. Zatim se uračuna elektrodni efekat na vrednost površinske otpornosti u zavisnosti od vrednosti geometrijskih parametara.



Metod fitovanja karakteristika se koristi da bi se odredila veza između otpornosti i debljine termistorskog sloja d. Taj metod se češće koristi za modelovanje i simulaciju ponašanja termistora. Za fitovanje karakteristika pri modelovanju efekta difuzije elektroda u NTC sloj koristi se sledeća jednačina u kojoj kao parametar figuriše debljina termistorskog sloja

( ) ( )( )20/1 dd

bulk ed −−= ρρ . (3.5)

Vrednost ρ se menja značajno u opsegu od ( )0,0 d u zavisnosti od d . Vrednost ρ se

menja sa na sledeći način d;0,0 == ρd ;,0 bulkdd ρρ =>>

( )edd bulk /11,0 −== ρρ .

bulkρ se određuje eksperimentalno i vidimo da ρ u značajnoj meri zavisi od te

vrednosti. Sve karakteristike se fituju za T=Tsobno.

3.2.2. Metod ekvivalentnih električnih šema Model debeloslojnih termistora može da se predstavi i preko modela ekvivalentnih električnih šema. NTC sloj zajedno sa elektrodama u ovom slučaju se predstavlja kao RC član i u zavisnosti od njegovih geometrijskih paramerata mogu da se dobiju različite osobine RC ćelija. Kao najjednostavniji primer može da posluži disk NTC termistor koji je prikazan na slici 3.1. Ovde je kapacitivnost C predstavljena kao kapacitet pločastog

kondenzatora dSC rεε 0= gde se vidi da karakteristiku materijala predstavlja član

rεε 0 a član dS geometrijske parametre debeloslojnog disk termistora. Otpornost je

data kao dSR ρ= gde se jasno vide članovi koji predstavljaju karakteristike

materijala i članovi koji predstavljaju geometrijske parametre termistorske strukture. Na slici 3.2 je predstavljen električni model disk termistora preko RC parametara, tj. jedna RC ćelija.

R

C

IN OUT

Slika 3.2. Električni model disk termistora.



U slučaju segmentirane termistorske strukture znatno bi se povećala složenost modela ekvivalentnog električnog kola. Matematički aparat koji opisuje to kolo takođe bi bio složeniji i samim tim povećao broj članova. U tom slučaju imali bismo redne veze RC ćelija koje su međusobno odvojene parazitnim otpornostima usled pojave struja koje ne teku samo direktno kroz NTC sloj već i prema susednim elektrodama (slika 3.3).

R

C

IN

OUT

R

C

R

C

R

C

R

C

R

CRp

Rp

Rp

Rp

Rp

Rp

1 2 3

nn-1n-2 Slika 3.3. Ekvivalentno električno kolu NTC debeloslojnog segmentiranog termistora

sa raspoređenim R/C parametrima po segmentima, - parazitna otpornost pR

između elektroda u ravni. Korišćenjem ovih modela se predstavljaju RC filtri za mikrotalasni opseg koji imaju primenu u hibridnim kolima i mogu da se koriste kao gotove SMD komponente za površinsku montažu.

3.2.3. MWO model Simulacija pomoću računara obezbeđuje da elektronsko kolo koje je isprojektovano, funkcioniše korektno, kako za idealne dizajnerske uslove tako i za uslove kada postoji tolerancija pojedinih komponenti. Jedan od alata za računarsku simulaciju, koji se nalazi na raspolaganju je Microwave Office (MWO), Applied Wave Research, Inc. MWO je alat za automatsko dizajniranje elektronskih kola. Koristi se MWO grafičko okruženje za dizajn kola sastavljenih od električnih šema ili elektromagnetskih (EM) struktura iz proširive baze podataka a nakon toga se generiše layout prezentacija (slika 3.4). MWO je jedan od komercijalnih elektromagnetskih (EM) simulatora. Oni uspostavljaju vezu između geometrije i topologije elektronskih kola i njihove funkcionalnosti rešavajući Maksvelove jednačine u kojima su vektori električnog i



magnetnog polja nepoznati. Koriste se za projektovanje kola u širokom opsegu radio-frekventnih (RF) i mikrotalasnih (MW-microwave) učestanosti. Ovaj alat se bazira na tehnici metoda momenta sa ugrađenim RF/MW razvojnim alatom. Ovaj alat ne podržava termičko ponašanje elektronskih komponenti, ali može da se dogradi kroz skript koji podržava WinAPI okruženje (slično kao primena Visual Basic-a).

Slika 3.4. Prikaz okruženja MWO.

Jezgro MWO tehnologije koristi objektno orijentisani pristup a MWO softver je kompaktan, brz, pouzdan i lako se poboljšava prema zahtevima novih tehnologija. Veličina ćelije određuje gustinu mreže koja se ugrađuje u model koji se koristi za simulaciju u MWO. Veličina ćelije koja će biti korišćena je određena najvišom frekvencijom od interesa ili najmanjim detaljom na modelu. Veličina ćelije mora biti dovoljno mala da bi mogao da se reši odgovarajući problem, ali je istovremeno ograničena raspoloživom memorijom računara. U programskom paketu MWO za EM simulaciju se koristi EM Sight simulator koji u sebi sadrži tehniku metoda momenata (Metod of moments - MoM). Metod momenata (Method of Moments – MoM) Jedna od glavih osobina MoM tehnike je površinska tehnika. Samo su površinske struje određene i čitava zapremina nije ožičena (omrežena). Različite tehnike modelovanja su pogodne za različite probleme. MoM je pogodan za simulaciju dugačkih žica, pošto on određuje struju u provodnicima preko modela metalnih površinica i žica. Struktura koja se modeluje je pretvorena u niz metalnih pločica i žica (small ellement wires and patches). Ponekad je cela struktura pretvorena u okvirni žičani model eliminišući metalne pločice. Kada je struktura definisana, žice se izdele na žičane segmente (kratke u odnosu na talasnu dužinu oko 1/10 talasne dužine) dok su



ravni (plates) izdeljene na manje delove (patches) takođe male u odnosu na talasnu dužinu. Za opisivanje EM polja Maksvelove jednačine mogu biti prevedene u različite oblike integralnih jednačina. Cilj MoM tehnike da reši jednačinu transformišući je u matričnu jednačinu. MoM tehnika zahteva kreiranje N linearnih jednačina sa N nepoznatih, gde svaka promenljiva predstavlja vrednost struje na pojedinom segmentu. Prvi korak pri rešavanju (MoM tehnikom) je da se opiše nepoznata raspodela struja unutar segmentiranog (izdeljenog) dela kao linearna kombinacija funkcija sa nepoznatim koeficijentima

( ) ( )zfIzIN

iii∑

=

=1

, (3.6)

gde su: – funkcija koja aproksimira ponašanje struje duž i-tog segmenta; if

– nepoznati koficijent. iI

Dalja procedura u MoM tehnici je da se odredi najbolja odgovarajuća aproksimacija raspodele struja shodno nekom kriterijumu (greška ostatka, težinske i test funkcije su automatski ugrađene i određene unutar MWO). Jedno od ograničenja EM simulacije je to da vreme simulacije exponencijalno raste sa složenošću problema, pa je potrebno da pojednostavimo problem da bi rezultate dobili za neko razumno vreme. Ovde se koristi EM simulator da bi se uradila analiza 3D termistorske strukture. Kao i kod mnogih EM simulatora, EM struktura se kreira preko definisanih slojeva (poznatih parametara materijala: relativna permitivnost rε , zapreminska provodnost provodnost vσ , tangens ugla gubitaka δ i debljina sloja d ), provodnih struktura

(oblik i provodnost) i njihovog međusobnog povezivanja sa vijama (ako je to potrebno da bi se predstavila željena geometrijska struktura povezivanjem kroz različite slojeve). Takođe se definišu izlazni krajevi (npr. merne tačke). Pri procesu analize provodnici su najpre predstavljeni kao uniformna pravougaona mreža jer se zahteva izračunavanje struja na provodniku. Cela struktura se predstavlja matrično. Sve to se analizira MoM tehnikom [23].


Merenje brzine vetra

4. Merenje brzine vetra Glavni izvor energije za sva kretanja u atmosferi je Sunce. Međutim, da bi došlo do kretanja u atmosferi nije dovoljan samo priliv energije od Sunca, važan je i raspored toplotne energije po Zemljinoj površini. Naime, postoji vrlo neravnomeran raspored te energije, a pošto u prirodi svaki poremećaj ravnoteže teži da se na neki način izravna, tako i taj neravnomerni raspored toplotne energije dovodi do krupnih kretanja u atmosferi. Osnovna neravnomernost u raspodeli je u tome što najveći priliv energije postoji u ekvatorijalnom području, a taj priliv se smanjuje sa geografskom širinom, tj prema polovima. Postoje određene modifikacije usled smene dana i noći, usled smene godišnjih doba, ali u proseku priliv energije na ekvatoru uvek je veći nego na polovima. Vetar predstavlja kretanje vazduha. U strogoj fizičkoj interpretaciji vetar ima sve odlike brzine. Brzina vetra spada u vektorske veličine za čije je kvantitativno opisivanje potrebno znati više od jednog broja. Njegovoj geometrijskoj interpretaciji odgovarao bi pojam usmerene duži. Puna definicija vetra podrazumeva poznavanje njegovog intenziteta (jačine/brzinu), pravca i smera kretanja. Slično skalarnim poljima temperature, gustine i pritiska, atmosfera čini i vektorsko polje vetra, odnosno u svakoj tački atmosfere je definisana funkcija vektora vetra u obliku

( ) ( ) ( ) ( )kj+iVV tzyxwtzyxvtzyxu=tzyx ,,,,,,,,,,,, +≡ , (4.1)

( )dtdxt,z,y,xu = , (4.2)

( )dtdyt,z,y,xv = , (4.3)

( )dtdzt,z,y,xw = , (4.4)

gde je V oznaka vektora vetra, a u, v i w su komponente vetra duž koordinatnih osa x, y i z, usmerenih zonalno od zapada ka istoku, meridionalno od juga ka severu i radijalno od centra Zemlje ka periferiji, redom, dok su dx, dy i dz promene položaja delića vazduha duž koordinatnih osa u vremenskom intervalu dt, redom [24]. Vetar je jako važan vremenski proces. Kretanjem se prenosi toplota, vlaga i polutanti sa jednog na drugo mesto, najčešće usmerenim vetrovima, a ponekad pravim



olujama. Vazdušna kretanja stvaraju povoljne uslove za formiranje i nestanak oblaka i padavina. Istovremeno, ona uzrokuju smanjenje vidljivosti na nulu, dok na drugoj strani pročišćavaju vazduh do kristalne bistrine. Vetar pokreće vazdušne mase, zbog čega izaziva promene u atmosferskom pritisku. Istovremeno, ove promene modifikuju vetar. Svi ovi faktori zajedno uslovljavaju promenljivu prirodu ne samo vetra, već i vremena.

4.1. Elektromehanički anemometri Elektromehanički anemometri su anemometri kod kojih se princip rada zasniva na pojavi elektromagnetnog polja. U tu vrstu spadaju elektromehanički indukcioni i elektromehanički optički anemometri.

4.1.1. Elektromehanički indukcioni anemometri Na slici 4.1 je prikazan izgled jednog elektromehaničkog indukcionog anemometra, dok je njegov poprečni presek prikazan na slici 4.2. Vidi se da je kružni cilindrični stalni magnet (2) postavljen oko šrafa – osovine (3) za koju je pričvršćen propeler (1). Oko toga magneta se nalazi nepokretna plastična špula (4) na koju je namotana tanka izolovana žica. Pod dejstvom magnetnog polja indukuje se električni signal (struja) koja je proporcionalna broju obrtaja anemometra tj. brzini vetra. Električni signal je kako takav moguće dalje obrađivati. Taj signal je proporcionalan brzini vetra zato što su svi ostali parametri konstantni i nepromenljivi u vremenu.

Slika 4.1. Prednja strana elektromehaničkog indukcionog anemometra.



1

2

3

5

N

S 4

Slika 4.2. Poprečni presek anemometra: (1)propeler, (2)osovina-šraf,

(3)magnet, (4)plastična špula, (5) kalem.

4.1.2. Elektromehanički – optički anemometri Elektromehanički – optički anemometri su kup (cup) anemometri. Primer jednog takvog anemometra je prikazan na slici 4.3. princip rada zasniva se na sledećem principu: Mala inertnost 3-krakog rotora na čijim su krajevima postavljene kupe u pravcu kretanja vetra. Kada vetar pokrene rotor dolazi do detektovanja pokreta na principu elektro – optičkog signala koji se konvertuje u odgovarajući električni signal. Frekvencija ovog signala je proporcionalna broju rotacija rotora anemometra. Na slici 4.3 se vidi da je pokretna osovina montirana na vrat kućišta tako da bi se mogla ostvariti rotacija kupola nosača sa kupolama pod dejstvom snage vetra. Specijalan slučaj kod uobičajeno korišćenih anemometara uključuje kupe koje su rotaciono simetrične u odnosu na svoju osu simetrije. Kad se anemometar montira, osa simetrije kupe je tangenta na smer obrtanja kupe. To može biti generalno rečeno da anemometri mogu da sadrže bilo koje oblike kupe. Tipično je da se koriste tri ili četiri kupe u anemometarskom sistemu. Ovde je prikazan anemometar sa tri kupe.



Slika 4.3. Kup (cup) anemometar, (1)kupola (kupa), (2)držač, (3)središte,

(4)vratilo, (5)kućište, (6)konkavna unutrašnja površina kupole, (7)konveksna spoljašnja površina kupole.

4.2. Ultrazvučni anemometri Prvi anemometar čiji je princip rada zasnovan na ultrazvuku razvijen je 1970. godine, i koristio je ultrazvučne talase za merenje brzine i pravca vetra. Oni imaju mogućnost merenja u svim pravcima, što znači da im tačnost merenja ne zavisi od pravca postavljanja anemometra. Razlika u brzini ultrazvuka i vazduha, ili fluida, je veličina koja se meri. Prostorna rezolucija je data dužinom rastojanja između prijemnika i predajnika ultrazvučnih talasa, koji su tipično na rastojanju od 10 do 20 cm. Ultrazvučni anemometri mogu da mere u veoma malim vremenskim intervalima, tj. na učestanostima od 20 Hz ili višim, tako da su oni pogodni i za merenja turbulentnih kretanja vazduha. Na slici 4.4 je prikazan jedan ultrazvučni anemometar sa po dva ultrazvučna prijemnika i predajnika. Na slici 4.5. je prikazan princip određivanja pravca i smera vetra. Prednosti ultrazvučnog anemometra su što nema pokretnih delova, može da izmeri i hiljadu odbiraka u sekundi, mogućnost manipulisanja pod jakim naletima vetra. Nedostaci su visoka cena i kompleksnost uređaja, mogućnost merenja brzine samo u jednom pravcu (na slici 4.5 su prikazana dva ortogonalna instrumenta u cilju otklanjanja ovog nedostatka). Dvo-dimenzionalni (brzina i pravac vetra) ultrazvučni



anemometri se koriste u aplikacijama kao što su male merne stanice za određivanje vremenske prognoze, kod navigacije brodova, vetro generatora i u avijaciji.

S

Z

J

I

vetar iz SSI

Y

X

Slika 4.4. Ultrazvučni Slika 4.5. Princip rada ultrazvučnog anemometra.

anemometar.

4.3. Anemometri sa ugrejanom žicom i filmom Anemometri sa ugrejanom žicom ili metalnim filmom služe za merenje brzine vazduha u slobodnom prostoru ili u cevima. Koriste se uglavnom za dinamička merenja, kada se od merila zahteva velika brzina odziva. Anemometre je prvi opisao engleski istraživač L. King 1915. godine. Senzori imaju dužinu od oko 5 mm i debljinu (5-10)μm. Žica je uglavnom od platine (otuda se dosta i govori o platinskim anemometrima), mada se koristi i volfram, nikl kao i neke legure. Uobičajene otpornosti u hladnom stanju su 2-10 Ω. Žica je pričvršćena za dva držača malih dimenzija da bi se smanjio uticaj na brzinu strujanja na mestu gde je postavljen pretvarač, sl. 4.6a. Rad anemometara se zasniva na promeni odvođenja toplote sa ugrejane žice u zavisnosti od brzine okolnog fluida. Po načinu rada anemometri se svrstavaju u dve glavne kategorije:

• anemometre sa konstantnom strujom; • anemometre sa konstantnom temperaturom.

Metod konstantne temperature se češće primenjuje u praksi,za razliku od metode konstantne struje koja se koristi samo za specijalna merenja kada se zahteva velika brzina odziva, kao na primer kod merenja visokofrekventnih turbulentnih strujanja.



Anemometri sa ugrejanom niti su zbog male debljine podložni kidanju pri mehaničkim udarima a takođe postoji opasnost pregorevanja pri suviše velikoj struji zagrevanja. Pri radu u sredini sa dosta nečistoća, usled lepljenja stranih čestica, dolazi do osetnih promena karakteristika senzora. Kod novijih anemometarskih senzora površina niti se prevlači tankim zaštitnim slojem od kvarcnog stakla. Senzori zaštićeni kvarcom imaju poboljšanu stabilnost i karakteristike pri radu u sredini sa nečistoćama i povećanom vlažnošću.

ugrejana žica

ugrejan film

provodnik

b) a) Slika. 4.6. a) Anemometarski pretvarač sa žicom, b) tipični oblici anemometara

sa filmom. U novijim anemometarskim sistemima koriste se senzori u obliku tankog filma, sl. 4.6b koji se dobija naparavanjem metalnog sloja na kvarcnu ili keramičku podlogu. Anemometri se senzorom u obliku tankog filma imaju znatno bolje mehaničke osobine od niti a takođe i povećanu sigurnost u pogledu pregorevanja. Prednost filmova je i u manjem uticaju nečistoća odnosno njihovom lakšem otklanjanju. Prednosti ovih anemometara su dobra prostorna rezolucija (merenje protoka u određenjm tačkama, tj. na određenim lokacijama), pa se koristi za izradu sondi protoka i ima brz odziv na promene protoka (sa odgovarajućim mernim kolom). Nedostaci anemometara sa vrućim vlaknom su visoka cena, zavisnosti osetljivosti od orjentacije anemometra, mogućnost oštećenja vlakna česticama prljavštine sredine u kojoj se nalazi anemometar.

4.4. Pitoova cev Pitoova cev predstavlja široko rasprostranjeni pretvarač za merenje brzine strujanja fluida u otvorenim i zatvorenim sistemima. Cev ima dva otvora, slika 4.7.



Pomoću otvora 1 meri se statički pritisak, jer je na njemu 0=ν . Pomoću otvora 2 dobija se dinamički pritisak p2, pošto je tu brzina jednaka stvarnoj brzini fluida. Primenom Bernulijeve jednačine za razliku pritiska 21 ppp −=Δ dobija se

2

2 ρν ⋅=Δp . (4.5)

Na izlazu diferencijalnog pretvarača za merenje pritiska dobija se signal proporcionalan kvadratu brzine fluida, slično kao i kod pretvarača sa suženom cevi. Pitoova cev se koristi za merenje brzine letelice, za merenje strujanja gasova u cevima, za kalibraciju anemometara itd.

merač diferencijalnogpritiska

otvor za merenje dinamičkog pritiska 2

1

2

tačka stagnacije (v=0) za merenje statičkog pritiska

p2 p1

ui=kΔp=k2v2

v

Sl. 4.7. Pitoova cev.

Kada se Pitoova cev koristi za merenje brzine aviona ona se postavlja u smeru kretanja na prednjem kraju. U tom slučaju čestice vazduha na otvoru 1 se kreću brzinom aviona. Čestice naspram sistema otvora 2 imaju brzinu okolnog vazduha koji je obično nula. I u ovom slučaju važi ista zavisnost izlaznog signala kao i u prethodno opisanom slučaju kada se Pitoova cev ne kreće i nalazi se u vazdušnom strujanju.

4.4. Membranski anemometri – piezoelektrični anemometri Piezoelektrični anemometri mogu se svrstati u klasu membranskih anemometara. Ovakav anemometar se sastoji od niza piezoelektričnih senzora pritiska, a svaki od ovih senzora je montiran licem u drugom pravcu, za različite smerove duvanja vetra. Svaki od ovih senzora daje signal zajedno sa informacijom o poziciji senzora, pa se na osnovu toga prati signal i moguće je odrediti ne samo intenzitet (jačinu) duvanja vetra, već i njegov pravac i smer. Na slici 4.8 je prikazan pogled na senzorski niz montiran na odgovarjući oslonac.



Slika 4.8. Pogled na senzorski sistem: (1)linija poprečnog preseka, (2)elektrode,

(3)senzorski niz piezoelektrika (direktno izložen vetru), (4)odvojeni električni kontakti, (5)zajedničk električni kontakt, (6)odvojeni detektor vetra, (7)čvrsti nosač.

Na slici 4.9 je prikazan poprečni presek uzet sa slike 4.8 duž linije 1-1.

Slika 4.9. Poprečni presek piezoelektričnog anemometra: (1)produžena traka, (2)segment elektrode, (3)senzorski niz piezoelektrika (direktno izložen vetru),

(4)piezoelektrični senzor, (5)i (6)linije udara vetra.

U poglavlju 4 su obrađene neke od vrsta anemometara. To je samo jedan uzak izbor anemometara u zavisnosti od principa merenja merene veličine, u ovom slučaju vetra.



Takođe, jedna od vrsta anemometara su i resistivni NTC anemometri, u koje se ubrajaju poluprovodnički anemometri i oksidni-poluprovodnički anemometri (NTC keramike). Njihov rad je zasnovan na efekatu promene temperature u zavisnosti od brzine vetra [25]. Elektro-otporni anemometri imaju platinske otpornike sa pozitivnim temperaturskim koeficijentom, PTC otpornike, disk termistore ili tankoslojne minijaturne poluprovodničke senzore sa negativnim temperaturskim koeficijentom (NTC otporni). Ovi anemometri rade na bazi gubitka toplote pri strujanju vazduha. Zagrejani elektro-otporni senzori imaju temperaturu bar 30-50 stepeni iznad temperature okoline, strujanje vazduha (vetar) ih hladi i na taj nacin im menja otpornost. Promena otpornosti dovodi do promene struje koja kroz njih protiče, ukoliko je primenjeni napon konstantan. Merenje brzine vetra u nekom pravcu je integralno. Ručni anemometri ovog tipa imaju samo jednu mernu sondu i mora im se promenom položaja tj. okretanjem u prostoru tražiti maksimum odziva za dati pravac kao i kod elekto-mehaničkih senzora. Nesigurnost merenja je 5%. Ne mogu da se koriste na temperaturama nižim od −10°C, zbog baterija i osetljive elektronike.

4.5. Cilj rada U korišćenju energije vetra najviše se odmaklo u najbogatijim i tehnički najrazvijenijim zemljama kao što su SAD, Kanada, Nemačka, Holandija, Danska, Japan i Španija. Interes za korišćenje energije koja je čista, obnovljiva i jeftina postoji u svim delovima sveta gde duvaju vetrovi. Vetrove treba meriti i proučavati da bi oni bili definisani kao siguran energetski resurs. U tu svrhu potrebni su anemometri koji će meriti brzine vetrova ne samo u ravničarskim predelima, gde su vetrovi ustaljeni, nego i na planinama, nagnutim zaravnima gde postoji i neka vertikalna komponenta vetra. Zbog toga su potrebni 3D anemometri (x, y, z) koji bi zamenili 2D anemometre (x, y). Njihova izrada je znatno komplikovanija, posebno zbog uticaja padavina, koje u velikoj meri menjaju vertikalnu komponentu vetra. Rad na ovoj magistarskoj tezi usmeren je na rešavanje upravo pomenutih problema. 3D anemometar na bazi segmentiranih debeloslojnih termistora radi na principu gubitka toplote i gradijent otpornosti (toplote) na termistoru definiše smer vetra u sva tri pravca x, y, z. Brzina vetra se meri vektorski, a intenzitet vektora se dobija računskim putem i jedinični vektori u pravcu koordinatnih osa. Cilj ove magistarske teze je usavršavanje anemometara zasnovanih na debeloslojnim NTC termistorima, geometrijama debelih slojeva, primeni i karakterizaciji senzora i cele naprave. Istraživanja na geometrijama debeloslojnih NTC termistora i njihova optimizacija treba da dovedu do realizacije elektronskog 3D senzora-anemometra, koji bi imao primenu kod merenja vetra, ne samo na sobnim nego i u umereno kontinetalnim uslovima, obzirom da će koristiti senzore koji se samozagrevaju tj. ne lede se, nemaju pokretnih delova niti pojačavačke stepene.


Osnovna svojstva debelih NTC slojeva

EKSPERIMENTALNI DEO

5. Osnovna svojstva debelih NTC slojeva Debeloslojni NTC termistori se razlikuju od klasičnih (presovanih pa sinterovanih) po oblicima i konstrukcijama, zatim dimenzijama, tehnologiji izrade, snazi i brzini odziva pri promeni temperature. Sličan im je samo sastav i kriva . Debeli slojevi se dobijaju štampanjem paste u koju se uz NTC prah u noseću smolu dodaje vezivno staklo B

( )TR

2O3 da bi se obezbedilo prijanjanje debelog sloja za podlogu od alumine (Al2O3). Osim toga, termistori u obliku debelih slojeva su porozniji od presovanih i sinteruju se na nižoj temperaturi, pa delimično istopljeno staklo (prah stakla) služi i kao vezivo za NTC zrna [26-29].

5.1. Dobijanje nanometarskih prahova i NTC paste

NTC prah dobijen je u EI Feritima po recepturi NTC2 3K3 [27-28]. Sastav NTC mešavine prahova određen je EDS analizom i iznosi: 51.12 Mn, 19.01 Ni, 0.85 Fe, 0.58 Co i 28.43 O wt%. Smeša oksida je kalcinisana na 900°C/1 čas, zatim su granule mlevene u vibracionom, kugličnom i ultra-brzom mlinu do prosečne veličine čestica od 0,9 μm (mereno Fisher-ovom metodom). Potom su presovanjem pod pritiskom od 2,5 MPa napravljene pilule oblika diska. Pilule su sinterovane na temperaturama u opsegu od 900°C do 1400°C, a vreme sinterovanja je bilo od 30-240 min. NTC pasta je formirana dodavanjem vezivnog stakla i organske smole (četinarska smola). Pasta 3K3 95/2 razvijena i dobijena u EI Iritelu sadrzi 4% B2O3. Debeli slojevi NTC paste naneti su na aluminu i sinterovani na 850°C/10 min, a zatim optički analizirani pomoću mikroskopa.

5.2. Karakterizacija debelih NTC slojeva Prethodnih godina, u velikom broju naučnih radova su ispitivane i optimizirane karakteristike termistorske NTC paste 3K3, 95/2. Novi NTC termistorski prah se sastoji od čestica nanometarske veličine u opsegu od 25-50 nm, veličina čestica je određena primenom skanirajuće elektronske mikroskopije (SEM). U sklopu SEM-a urađena je i elektronska disperziona analiza (EDS) u cilju utvrđivanja kvalitativnog i kvantitativnog sastava materijala. Pored SEM-a, u svrhu kompletne analize termistorskog praha (posmatranje promene njegovih svojstava sa promenom temperature i vremena sinterovanja) izvršena su merenja geometrijskih parametara,


Osnovna svojstva debelih NTC slojeva

mikroskopija u dalekoj infracrvenoj oblasti, fotoakustička merenja i rendgeno strukturna analiza sinterovanih uzoraka. U daljem tekstu će biti predstavljena EDS analiza i SEM. Elektronska disperziona spektroskopija (EDS) EDS je efikasna metoda za određivanje sastava materijala tj. identifikaciju elemenata u uzorcima, a radi u sklopu skanirajuće elektronske mikroskopije (SEM). Ova tehnika koristi X-zrake emitovane iz uzorka za vreme bombardovanja elektronskim snopom. Tokom bombardovanja uzorka elektronskim snopom pojedini elektroni površinskih atoma bivaju izbačeni. Nastalu vakanciju popunjava elektron sa višeg nivoa pri čemu se emituje X-zrak kao posledica zakona održanja energije za ova dva elektrona različite energije veze. EDS detektor meri broj emitovanih X-zraka u zavisnosti od energije. S obzirom da je energija X-zraka karakteristika elementa iz koga je X-zrak emitovan, dobijeni spektar energije u zavisnosti od relativnog broja detektovanih X-zraka koristi se za kvalitativnu i kvantitativnu analizu elemenata prisutnih u ispitivanom uzorku. Skanirajuća elektronska mikroskopija (SEM) Elektronska mikroskopija je metoda ispitivanja topografije površina čvrstih neisparljivih materijala, direktnim posmatranjem ili proučavanjem fotografskih snimaka objekata. Elektronski mikroskop služi za formiranje uvećane slike objekta difrakcijom visokoenergetskih elektrona a sa dodacima za spektroskopiju rasutog rendgenskog zračenja ili sekundarnih elektrona služi za istovremenu hemijsku analizu posmatranih delova površine objekta. Skanirajući (sa programiranim šetanjem elektronskog snopa) elektronski mikroskop koji formira lik na bazi reflektovanog snopa elektrona označava se sa SEM. Princip formiranja lika u ovom tipu mikroskopa je prikazan na slici 5.1. Elektronski snop se formira pomoću elektronskog topa F. Izvor elektrona je usijana volframska nit. Snop se ubrzava do konstantne energije u intervalu 5-50 keV. Pomoću sistema magnetskih sočiva L1-L3 snop elektrona se fokusira na površini čvrstog uzorka S. Generator pravougaonih naponskih impulsa G služi da vrši otklon elektronskog mlaza tako da on "osmotri" svaku tačku određenog pravougaonog dela površine uzorka. Istovremeno se naponom generatora G vrši otklon elektronskog mlaza katodne cevi, pa se svakoj posmatranoj tački uzorka dodeljuje jedna tačka ekrana katodne cevi. Reflektovani elektroni sa površine uzorka se hvataju elektronskim multiplikatorom, a dobijeni naponski impuls se vodi na rešetku katodne cevi. Ako tačka površine koju pogađa elektronski snop dobro reflektuje elektrone, to preko pojačavača elektronskog multiplikatora A izaziva dobru propustljivost rešetke katodne cevi, pa se na odgovarajućoj tački ekrana dobija jače osvetljenje. Brzim šetanjem elektronskog mlaza na ekranu katodne cevi se dobija trajna slika površine. Za homogen uzorak na ekranu se vidi verna slika topografije površine. Za uzorke nehomogenog sastava, mesta sa većom koncentracijom težih elemenata izgledaju


3D anemometar sa segmentiranim NTC termistorima

svetlija, jer bolje reflektuju elektronski mlaz. Snimanja su vršena radi ispitivanja topografije površina, ali i kvalitativnog i kvantitativnog određivanja sastava uzoraka.

Slika 5.1. Šematski izgled skanirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM),

F-elektronski top, L1-L3-sistem magnetskih sociva, S-površina čvrstog uzorka, G-generator naponskih impulsa, A-pojačavač elektronskog multiplikatora.

6. Segmentirani debeloslojni termistori

6.1. Građa segmentiranog termistora

Segmentirani NTC termistori su nastali planarizacijom višeslojnog NTC termistora, čime je višestruko povećana površina, a isto toliko puta smanjena debljina termistora. Ovim je ubrzano grejanje/hladjenje termistora, pa se brže menja otpornost, podnosi veći napon i disipira veću snagu. NTC sloj je štampan u jednom sloju, potpuno je homogen i dobro prijanja za podlogu od alumine. Elektrode su podeljene u dva nivoa; ispod i iznad NTC sloja, pa se otpornost dobija rednim sabiranjem segmenata, dok glavna struja kroz NTC sloj ide u cik-cak smeru. Osim glavne struje postoje i dve parazitne površinske struje koje idu gornjom i donjom stranom izmedju susednih elektroda, ali su vrlo male jer idu preko vrlo visokih otpornosti reda MΩ.



Poprečni presek NTC segmentiranog debeloslojnog termistora i uzastopno štampanje njegovih slojeva dat je šematski na slici 6.1. Senzori su štampani sa 3K3 95/2 NTC pastom i sinterovani u konvejerskoj peći na 850 0C / 10 min.

Slika 6.1. Poprečni presek debeloslojnog segmentiranog NTC senzora: 1-PdAg electrode, 2. NTC sloj, 3. alumina. Segmenti su vezani redno u cik-cak poretku.

Otpornost termistora je proporcionalna broju segmenata.

Na slici 6.2. je prikazan cik-cak tok DC struja koje se javljaju u debeloslojnom segmentiranom termistoru. Podebljane putanje predstavljaju glavnu struju kroz termistor a normalne linije predstavljaju parazitne struje koje se javljaju između elektroda u ravni.

1

2

Slika 6.2. Tok DC struja kroz segmentirani termistor[30].

Na slici 6.3. prikazane su maske tj. likovi - slojevi koji se nanose štampanjem jedan preko drugog. Slojevi se uzastopno sinteruju posle svakog štampanja. Segmentirani termistor na slici je projektovan za protoke struja i iznad 100 mA, pa su površine elektroda veće da bi se smanjila otpornost po segmentu na 200 Ω. Broj segmenata je ograničen na 8 da bi se na kraju dobila projektovana vrednost termistora na sobnoj temperaturi reda 1.5 kΩ, potrebna za izradu senzora protoka u dve varijante zagrevanja termistora: sa indirektnim zagrevanjem i samozagrevanjem. Ukupna dužina segmentiranog NTC termistora od 75 mm i širina 12.5 mm trebalo je da omoguće efekte usrednjavanja protoka vazduha i lako i brzo odvodjenje / dovodjenje toplote iz vazduha.



1

2

3

4

Slika 6.3. Debeloslojni segmentirani NTC senzor (pogled odozgo): maske – štampani

slojevi. 1. Donja electroda, 2. NTC sloj tri puta štampan, 3. gornja elektroda, 4. slaganje slojeva - konstrukcija termistora. Dužina 75 mm, širina 12.5 mm, debljina

sinterovanog NTC sloja 36 μm.

6.2. Modelovanje segmentiranih termistora na visokim učestanostima

Modelovanje termistorskih struktura je rađeno i na visokim učestanostima do 10 GHz. Modelovanje je omogućilo ponovljivost eksperimentalnih rezultata koji se poklapaju sa simuliranim vrednostima. Vrednosti koje su se pratile su ulazna otpornost Zin(f) i S parametri. Modelovanje geometrijskih struktura primenjeno je kod modelovanja debelosojne termistorske strukture prikazane na slici 6.1. Model segmentirane strukture sa fizičkim dimenzijama (u μm) je prikazan na slici 6.4. Ovde su ulazni podaci bili materijalne karakteristike termistorske paste: relativna permitivnost ( 13.8=rε ), zapreminska provodnost ( mS /0152.0=σ ) i tangens gunitaka ( 001.0=δ ). Substrat alumine je debljine md μ630= modelovan je

parametrima 9=rε i 006.0=δ . Elektrode su modelovane kao savršen provodnik. Ulazna otpornost izračunata na ovaj način (ovim metodom) je prikazana na slici 6.5. Sa slike 6.5 se vidi da se simulirani rezultati u velikoj meri poklapaju sa eksperimentalno izmerenom ulaznom impedansom segmentiranog NTC termistora. Tu se može reći da ti simulirani rezultati verodostojno predstavljaju segmentiranu geometrijsku strukturu i da su rezultati ponovljivi.



Slika 6.4. Struktura segmentiranog termistora kao model u MWO.

ZIN (f)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0.1 1 10 100 1000 10000

f [MHz]

ZIN [Ohm] ZIN meas.

ZIN MWO geom.

Slika 6.5. Dijagram zavisnosti ulazne impedanse Z debeloslojnog segmentiranog

NTC termistora od frekvencije, simuliran MoM tehnikom u MWO (MoM – metod of moments).

Na slici 6.6 je prikazan dijagram zavisnosti parametra S21 (unešeni gubici - insertion loss) od frekvencije simuliran takođe MoM tehnikom. Odavde se vidi da se dobija zadovoljavajuće slaganje simuliranih rezultata sa eksperimentalnim podacima. Sve ovo ukazuje da modelovanje u MWO daje upotrebljive rezultate i značajno pomaže pri daljem razvoju i poboljšanju postojećih geometrijskih struktura.



S21(f)

-25

-20

-15

-10

-5

0

0.1 1 10 100 1000 10000

f[MHz ]

S21[dB]

S21 MWO geom.

S21 meas.

Slika 6.6. Dijagram zavisnosti parametra S21 segmentiranog NTC termistora od

frekvencije simuliranih metodom momenta u MWO.

7. 3D anemometar sa segmentiranim NTC termistorima Sama reč 3D anemometar označava anemometar koji reaguje na promene pravca i brzine vetra po sve tri koordinatne ose, tj. u prostoru (3D – three dimension). 3D anemometar predstavlja senzorski sistem koji se sastoji od 5 senzora. To su senzori vetra, vlage i temperature. Senzori vetra su u stvari tri segmentirana NTC termistora postavljena pod pravim uglom jedan u odnosu na druga dva, prema dekartovom koordinatnom sistemu, tj. po x , y , i osama, koji daju rezultate pri različitim umereno kontinentalnim klimatskim uslovima. Po jedan segmentirani NTC termistor se koristi za senzor temperature i senzor vlage.

z

Prema oblasti primene spada u meterološke senzore, jer meri brzinu vetra, vlagu i temperaturu. Prema materijalu koji se koristi kao senzor, spada u grupu termistora tj. senzora na bazi poluprovodničkih oksida. Prema tehnologiji izrade spada u debeloslojne senzore. Na slici 7.1 je prikazan prostorni raspored senzora koji čine trodimenzionalni anemometarski sistem, dok je na slici 7.2 prikazan izgled 3D senzorskog sistema. Konačne dimenzije senzorskog sistema su . 3100100100 mm××



Slika 7.1. Trodimenzionalni anemometarski sistem – blok šema: x, y, z – uniaksijalni

senzori za merenje brzine vetra, T – senzor temperature, V – senzor vlage [31]. Trodimenzioni anemometar (slika 7.1) radi na principu gubitka toplote samozagrejanih segmentiranih termistora pri strujanju vazduha preko njih. Trodimenzioni anemometar kao sistem, ima 5 senzora sastavljenih od ukupno 6 debeloslojnih segmentiranih NTC termistora koji su jednaki po obliku i po vrednosti otpornosti. Tri senzora brzine vetra su postavljena po osama x,y,z pod pravim uglom (oznake X,Y,Z senzora na slici 7.1). Brzinu vetra po osama mere senzori koji imaju po jedan segmentirani NTC termistor u sredini kućišta (slika 7.3). Segmentirani NTC termistorii napajaju se konstantnim naponom napajanja, a greje ih sopstvena promenljiva struja samozagrevanja. Oni su topliji od okoline bar za 30-50°C. Struja termistora opada sa povećanjem brzine vetra, jer se termistori tada delimično hlade. Hladjenjem NTC termistora otpornost termistora raste. Otpornost termistora dobijamo merenjem struju kroz termistor (struja samozagrevanja termistora) u funkciji od brzine vetra, pri konstantnom naponu napajanja. Na red sa termistorom stavlja se stabilni otpornik na kome se meri pad napona, a struja se dobija deljenjem tog napona sa vrednošću otpornosti. Maksimalna struja kroz termistor ograničena je zaštitnim kolom na nekoliko desetina mA. Određivanjem otpornosti termistora, odredjuje se i temperatura na termistoru. Iz pomenutih parametara izračunava se i trenutna snaga na termistoru. Tako nastaju krive kalibracije sa kojih se direktno očitava brzina vetra za svaku izmerenu otpornost ili struju Ith kroz termistor.



Slika 7.2. 3D prikaz senzorskog sistema u drvenom kućištu sa 4 sloja: x, y, z –

uniaksijalni senzori za merenje brzine vetra, T – senzor temperature,V – senzor vlage.

Slika 7.3. Poprečni presek senzora koji meri brzinu vetra po jednoj osi: 1. reduktor vazduha, 2. kućište senzora, 3. debeloslojni NTC segmentirani termistor, +/- napon

napajanja, U1 i U2 naponi unutrašnjih elektroda za određivanje smera vetra, 4. lemne tačke za izvode.



7.1 . Konstrukcija i osnovna svojstva uniaksijalnog anemometra sa segmentiranim NTC termistorom

Uniaksijalni anemometar je deo senzorskog sistema – 3D anemometra u funkciji jednog pravca ( x , ili ) koji tako formiran daje zavisnost brzine i pravca vetra u odnosu na otpornost NTC segmentiranog termistora. Jedan takav uniaksijalni anemometar je prikazan na slici 7.3.

y z

Da bi se smanjila potrošnja uniaksijalnog anemometra, a samim tim i senzorskog sistema, jer on treba da ima neku svoju autonomiju rada i kao takav zahteva malu potrošnju, došlo se na ideju da se smanje dimenzije debeloslojnog segmentiranog NTC termistora. To je uslovilo pojavu manjeg broja segmenata termistora u dva reda elektroda, smanjenje sopstvene otpornosti, a to sve prouzrokuje manju snagu na senzoru, tj. potrebna je manja struja grejanja termistora. Izgled novog NTC segmentiranog termistora prikazana je na slici 7.4. Dimenzije tako umanjenog termistora su 51×6.35 mm

PdAg

2.

Slika 7.4. NTC segmentirani termistor ugrađen u sklop senzorskog sistema: U1 i U2 -

naponi za određivanje smera vetra, +,- priključci za napajanje termistora. Ovaj termistor je štampan tehnologijom debelog filma i pravljen je u dve serije od po 100 komada u opsegu otpornosti od 2.5 do 4.8 kΩ. Sastoji se od 4

elektrode koje se naslanjaju odozgo na NTC sloj i 5 elektrode koje se odozgo naslanjaju na podlogu od alumine. PdAg

Simuliranje brzine vetra je rađeno u laboratorijskim uslovima, i to sa AC ventilatorom na kome se menjala brzina vetra u zavisnosti od AC napona napajanja u opsegu od 55 do 240 V. Promena brzine vetra je izbaždarena sa anemometrom firme Tehno Line tip EA3010 Hand Held Anemometer Hand Wind Messer. Ovaj anemometar meri brzinu vetra u opsegu od 0.2 do 30 m/s, sa tačnošću od 5% na zadnjoj cifri. Takođe, ovaj anemometar meri i temperaturu vazduha u opsegu od -29 do +59°C, sa tačnošću od ±0.1°C. Na slici 7.5 je prikazana kriva baždarenja AC ventilatora u funkciji brzine vetra izražena u m/s. Sa slike 7.5 se vidi da je maksimalna brzina vetra koja je postignuta 15.1 m/s dobijena pri naizmeničnom naponu napajanja od 240 V. Sve vrednosti dobijene prilikom baždarenja AC ventilatora su prikazane u tabeli 7.1.



02468

10121416

50 100 150 200 250

UAC [V]

v [m/s]

Slika 7.5. Kriva baždarenja AC ventilatora: brzina vazduha iz ventilatora

u funkciji od promene AC napona napajanja.

Tabela 7.1. Baždarenje ventilatora u funkciji AC napona napajanja UAC [V] v [m/s] UAC [V] v [m/s] UAC [V] v [m/s]

0 0 115 7.5 180 12.1 55 0.5 120 7.9 185 12.4 60 1.4 125 8.3 190 12.8 65 2.2 130 8.7 195 13.0 70 2.9 135 9.1 200 13.2 75 3.6 140 9.4 205 13.5 80 4.4 145 9.7 210 13.7 85 4.8 150 10.0 215 13.9 90 5.4 155 10.5 220 14.2 95 5.9 160 10.9 225 14.4 100 6.3 165 11.2 230 14.6 105 6.7 170 11.5 235 14.8 110 7.2 175 11.8 240 15.1

Pri prvom merenju NTC senzor se nalazio u plastičnoj cevi (Ø=20 mm / Ø=18.5 mm) dužine 90 mm bez reduktora protoka vazduha. Vršene su promene napona napajanja segmentiranog NTC termistora i na taj način su dobijane različite zavisnosti promene struje termistora u zavisnosti od brzine vetra kome je izložen termistor, tj. uniaksijalni senzor vetra. Temperatura okoline je bila 26°C. Protok



vazduha nije bio preko reduktora. Napon napajanja segmentiranog NTC termistora bio je: 24 V, 28 V, 32 V, 36 V i 40 V. Na slici 7.6 je prikazana zavisnost struje uniaksijalnog anemometra od brzine vetra.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15v [m/s]

I [mA]

UDC=40VUDC=24VUDC=28VUDC=32VUDC=36V

A

Slika 7.6. Zavisnost struje NTC senzora od brzine vetra i napona napajanja:

UDC – napon napajanja, A – prevojna tačka. Vidi se da je pri naponu napajanja termistora UDC od 24 V i 28 V nije proradila spoljna strujna zaštita izvora za napajanje, dok pri ostalim naponima napajanja termistora jeste. Pri naponu napajanja od 36 V zaštita je odreagovala pri struji I od 43.8 mA.

7.1.1.Baždarenje uniaksijalnog anemometra sa kolom za ograničenje struje

Na slici 7.7 je prikazana kriva zavisnosti struje NTC termistora od brzine vetra, kada se na cev Ø=20/18.5 mm u kojoj se nalazi senzor, postavi reduktor protoka vazduha od 11 mm. To je realizovano postavljanjem plastičnih čepova sa obe strane kućista senzora sa otvorom od 11 mm u sredini (reduktor protoka vazduha), pa vazduh sada ulazi kroz manji otvor, dolazi do segmentiranog NTC termistora koji se na taj način manje hladi. Merenja su izvršena na temperaturi okoline od 25°C, i za sve napone napajanja termistora UDC od 32 V i 40 V, sa i bez ograničenja struje termistora.



NTC krive, reduktor 11mm

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]

UDC=32V

UDC=40V

UDC=32V saograničavacemUDC=40V saograničavacem

A

B

C

Slika 7.7. Zavisnost struje NTC senzora od brzine vetra sa reduktorom od 11 mm i tranzistorskim ograničavačem: UDC – napon napajanja, A, B, C – prevojne tačke.

Kao ograničavač struje korišćeno je prosto elektronsko kolo prikazano na slici 7.8. Kolo se sastoji od tranzistora T (BD136-10), dve ispravljačke diode D tipa 1N4148, i otpornika R, RB i REC. Vrednosti otpornosti u kolu su menjane radi dobijanja maksimalne struje na segmentiranom NTC termistoru. Termistor je otpornik relativno male snage (1.5 W) i da ne bi došlo do uništenja usled pregrevanja mora se ograničiti struja koja protiče kroz njega. Pregrevanje može da dovede do promene strukture NTC sloja, a samim tim i njegovo ponašanje sa temperaturom ne bi bilo kao na početku merenja. Rezultati prikazani na slici 7.7 su dobijeni sa vrednostima otpornosti u ograničavačkom kolu sa tranzistorom: Ω= 18R , Ω= kRB 20 .

Slika 7.8. Ograničavač struje segmentiranog NTC termistora – električna šema:

T – BC136-10, D-1N4148, RB=20 kΩ, R=18 Ω. B



Na slici 7.9 je prikazana zavisnost struje NTC senzora sa reduktorom vazduha od 5.5 mm. Vidi se da sa smanjenjem napona napajanja opada i struja kroz termistor, ali i dalje ostaje strm nagib krive.

NTC krive, reduktor 5.5mm

1214161820222426283032343638

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]UDC=40VUDC=32VUDC=28VA

B C

A1

B1

C1

Slika 7.9. Zavisnost struje NTC senzora od brzine vetra sa reduktorom od 5.5 mm i

tranzistorskim ograničavačem: UDC – napon napajanja, A, B, C, A1, B1, C1 – prevojne tačke.

Na slici 7.10 su prikazane struje NTC senzora u funkciji od brzine vetra za različite napone napajanja na termistoru. Naponi napajanja UDC su menjani u opsegu od 28 do 40 V. Temperatura okoline bila je 25°C. I u ovom slučaju je korišćen ograničavač struje u funkciji zaštite termistora od pregrevanja i trajnog oštećenja. Na slici 7.11 su prikazani rezultati dobijeni pri varijacijama otpornosti otpornika R u emitorskom kolu ograničavača, pri čemu je napon napajanja UDC bio 40 V i korišćen je reduktor protoka vazduha od 5.5 mm. Vrednosti otpornosti bile su 14.2 Ω, 16 Ω, 18 Ω i 20.2 Ω. Može se videti da vrednost otpornosti R utiče na jačinu struje koja protiče kroz segmentirani NTC termistor, i što je otpornost R veća to je struja kroz termistor manja. Međutim, uočava se da pri većim brzinama vetra, tačnije pri brzinama vetra iznad 10 m/s, taj otpornik nema veliki uticaj na struju kroz termistor. Na slici 7.12. je prikazano ograničavačko kolo sa slike 7.8, u koje je dodat otpornik REC u emitorsko-kolektorskom kolu. Vrednost otpornosti REC je 2 kΩ.




10121416182022242628303234363840

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]UDC=40VUDC=32VUDC=28VUDC=34VUDC=36V

A B C D E

A1

B1C1

D1

E1

Slika 7.10. Zavisnost struje NTC senzora u funkciji brzine vetra za različite napone

napajanja UDC, reduktora 5.5 mm i tranzistorskog ograničavača: A, B, C, D, E, A1, B1, C1, D1, E1 – prevojne tačke .

NTC krive, reduktor 5.5mm, UDC=40V

242628303234363840424446485052

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]R=18ΩR=16ΩR=14.2ΩR=20.2Ω

A

B

C

D

Slika 7.11. Zavisnost struje NTC senzora u funkciji brzine vetra za različite vrednosti

otpornosti R ograničavačkog kola: UDC – napon napajanja, A, B, C, D – prevojne tačke.



Slika 7.12. Ograničavač struje segmentiranog NTC termistora sa otpornikom REC u emitorsko-kolektorskom kolu – električna šema:

T – BC136-10, D-1N4148, RB=20 kΩ, R=16 Ω. B

Vršena su merenja sa tim dodatim otpornikom u EC kolu. Korišćen je reduktor protoka vazduha od 5.5 mm, pri jednosmernom naponu napajanja termistora UDC od 40 V. Vrednost otpornosti u kolu emitora Ω= 16R , a otpornosti u kolu baze tranzistora T, Ω= kR 20 . Temperatura okoline u toku merenja bila je 25°C. Sa grafika se vidi da je maksimalna struja, pri nultoj brzini vetra, kroz segmentirani NTC termistor bila 42.5 mA a pri merenju bez vezane otpornosti REC u emitorsko kolektorskom kolu ograničavača je bila 42.4 mA. Vidimo je da je uticaj ove otpornosti na struju NTC senzora neznatna (ispod 1%).


25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]

Rec=2kΩbez otpornika u E-C

A

Slika 7.13. Zavisnost struje NTC senzora od brzine vetra sa otpornošću REC u

ograničavačkom kolu: UDC – napon napajanja, A – prevojna tačka.



Na slici 7.14 je prikazana zavisnost struje uniaksijalnog senzora vetra od brzine vetra, pri čemu je bila menjana vrednost otpornosti RB u baznom kolu tranzistora T ograničavačkog kola. Kada nema vetra, tj. kada je brzina vetra 0 m/s, javljaju se maksimalne struje kroz NTC termistor. Pri takvim uslovima merenja, struja kroz NTC termistor je 43.1 mA pri čemu je vrednost otpornosti baznog otpornika 20 kΩ. Pri

je struja 46.3 mA, a pri Ω= kR 15 Ω= kR 30 je struja 41 mA. Temperatura okoline je 25°C.


252729313335373941434547

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]

R=16Ω, Rb=20kΩ"R=16Ω, Rb=15kΩR=16Ω, Rb=30kΩ

A

B

C

Slika 7.14. Zavisnost struje NTC senzora od brzine vetra sa promenljivom otpornošću

RB u ograničavačkom kolu: R – otpornost u emitorskom kolu tranzistora T, B

UDC – napon napajanja, A, B, C – prevojne tačke. Na slici 7.15 je prikazana zavisnost struje termistora od brzine vetra koji duva u pravcu ose termistora, pri čemu je menjan jednosmerni napon napajanja UDC. U ograničavačkom kolu je menjana vrednost otpornosti u emitorskom kolu tranzistora T. U jednom slučaju ona je iznosila 14 Ω a u drugom slučaju 12.8 Ω. Temperatura okoline u kojoj su vršena ova merenja je iznosila 28°C. Vidi se da kada se smanji otpornost u emitorskom kolu ograničavača poraste i struja kroz segmentirani NTC termistor. Kada se poveća brzina vetra onda taj uticaj slabi. Pod istim uslovima je vršeno istovremeno merenje napona na krajevima segmentiranog NTC termistora, i rezultati merenja su prikazani na slici 7.16.




16

20

24

28

32

36

40

44

48

52

56

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA] UDC=40V, R=14ΩUDC=36V, R=14ΩUDC=32V, R=14ΩUDC=40V, R=12.8ΩUDC=36V, R=12.8Ω

AB

C D

A1B1

C1

D1

Slika 7.15. Zavisnost struje u funkciji brzine vetra od promenljive vrednosti napona

napajanja UDC i promenljive vrednosti otpornosti R u ograničavačkom kolu: A, B, C, D, A1, B1, C1, D1 – prevojne tačke.

NTC krive, reduktor 5.5 mm

182022242628303234363840

0 2 4 6 8 10 12 14 16v [m/s]

U [V]

UDC=40V, R=14ΩUDC=36V, R=14ΩUDC=32V, R=14ΩUDC=40V, R=12.8ΩUDC=36V, R=12.8Ω

A

BC

Slika 7.16. Zavisnost napona u funkciji brzine vetra od promenljive vrednosti napona

napajanja UDC i promenljive vrednosti otpornosti R u ograničavačkom kolu: A, B, C – prevojne tačke.

Dalja analiza rezultata dobijenih sa tranzistorskim ograničavačem napona data je u diskusiji.



Sledeća varijanta ograničenja struje odnosi se na primenu pasivnog ograničavača, tj. pažljivo izabranog otpornika koji je vezan na red sa NTC senzorom.

7.1.2.Baždarenje uniaksijalnog anemometra sa otpornikom R u funkciji ograničavača struje

Prilikom ovih merenja umesto ograničavačkog kola sa tranzistorom T korišćen je otpornik koji je imao funkciju ograničavača struje kroz NTC termistor. U cilju određivanja vrednosti otpornosti otpornik i jednosmernog napona napajanja UDC za dobijanje optimalnih rezultata NTC krive, moralo se ispitati više slučajeva. Na slici 7.17 prikazano je merenje zavisnosti struje NTC senzora u funkciji brzine vetra, za različite otpornosti R. Pri ovim merenjima temperatura okoline bila je 28°C. Vrednosti otpornosti su bile 660||660+420||420 Ω=540 Ω, 500 Ω pri jednosmernom naponu napajanja UDC od 40 V, i otpornost otpornika R od 250 Ω pri jednosmernom naponu napajanja 33 V. Na slici 7.18 je prikazana zavisnost napona u funkciji brzine vetra, takođe pri promenljivoj vrednosti otpornosti R. Dalja merenja su izvršena sa vrednošću ograničavačke otpornosti od 250 Ω, jer se sa tom vrednošću dobija najbolja linearnost NTC krive.


12

16

20

24

28

32

36

40

44

48

52

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]

R=660||660+420||420Ω, UDC=40VR=500Ω, UDC=40VR=250Ω UDC=33V

A

B

C

Slika 7.17. Zavisnost struje u funkciji brzine vetra pri promenljivoj vrednosti

ograničavačke otpornosti R: UDC – napon napajanja, A, B, C – prevojne tačke.




19

21

23

25

27

29

31

33

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

U [V]

R=660||660+420||420Ω, UDC=40VR=500Ω, UDC=40VR=250Ω, UDC=33V

A

B

C

A1

A2

B2

B1

C1

C2

Slika 7.18. Zavisnost napona u funkciji brzine vetra pri promenljivoj vrednosti

ograničavačke otpornosti R: UDC – napon napajanja, A, B, C, A1, B1, C1, A2, B2, C2 – prevojne tačke.

Nakon izbora optimalne vrednosti otpornosti R vršena su merenja sa raznim aperturama, tj. raznim prečnicima otvora reduktora vazduha. Pošto je kao kućište senzora korišćena plastična cev prečnika Ø=20 mm čiji je zid debljine 0.7 mm, utvrđeno je da se senzor dosta hladi i po površini kućišta, tj. da protok vazduha koji struji oko kućišta sa senzorom u velikoj meri hladi segmentirani NTC termistor čak i kad nema protoka vazduha kroz reduktor (slike 7.19 i 7.20). Prečnici otvora vazduha su bili 5.5 mm, 3.2 mm, 1.6 mm i 0 mm. Jednosmerni napon napajanja C termistora UDC je 33 V. Temperatura okoline na kojoj su vršena merenja bila je 27°C. Na slici 7.19 prikazana je zavisnost struje od brzine vetra, pri konstantnoj vrednosti UDC kao i otpornosti R, pri čemu je menjana veličina otvora reduktora protoka vazduha. Na slici 7.20 prikazana je zavisnost napona od brzine vetra, pri konstantnoj vrednosti UDC kao i otpornosti R, pri čemu je menjana veličina otvora reduktora protoka vazduha.



NTC krive, UDC=33V, R=250Ω

14182226303438424650545862

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]

Ø=5.5 mmØ=3.2 mmØ=3.2 mmØ=1.6 mmØ=0 mm

AB

C

Slika 7.19. Strujna zavisnost NTC senzora u funkciji brzine vetra pri promenljivoj vrednosti reduktora vazduha, termički neizolovan sistem: UDC – napon napajanja,

R – ograničavački otpornik, A, B, C – prevojne tačke.


16

18

20

22

24

26

28

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

U [V]

Ø=5.5 mmØ=3.2 mmØ=3.2 mmØ=1.6 mmØ=0 mm

A

B

C

Slika 7.20. Naponska zavisnost NTC senzora u funkciji brzine vetra pri promenljivoj vrednosti reduktora vazduha, termički neizolovan sistem: UDC – napon napajanja,


Da bi se efekat hlađenja strujanjem vazduha oko kućišta odstranio, senzor je stavljen u drveno kućište kao što je predviđeno za 3D anemometar koji je prikazan na



slici 7.21. Zatim su urađena merenja sa VU DC 34= i za dodatnu širinu otvora za

protok vazduha od 11 mm.Sva merenja su urađena sa drvetom kao izolatorom toplote.

Slika 7.21. Poprečni presek senzora koji meri brzinu vetra po jednoj osi: 1. reduktor vazduha, 2. drveno kućište senzora, 3. debeloslojni NTC segmentirani termistor, +/- napon napajanja, U1 i U2 naponi unutrašnjih elektroda za određivanje smera vetra,

4. lemne tačke za izvode. Temperatura okoline pri kojoj su vršena merenja bila je 28°C. Na slikama 7.22 i 7.23 su prikazane naponska i strujna zavisnost pri ovakvim uslovima merenja. Vidimo da prilikom zatvaranja otvora za protok vazduha, okolina ne utiče na senzor, odakle proizilazi da je izolacija kućišta senzora dobra i da nema hlađenja NTC termistora preko zida kućišta. Senzor brzine vetra se ugreje na nominalnu radnu temperaturu i tu temperaturu održava.


14

18

22

26

30

34

38

42

46

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

I [mA]

Ø=0 mmØ=1.6 mmØ=3.2 mmØ=5.5 mmØ=11 mm

Slika 7.22. Zavisnost struje NTC senzora u funkciji brzine vetra pri promenljivoj vrednosti reduktora vazduha, termički izolovan sistem: UDC – napon napajanja,





20

22

24

26

28

30

32

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

U[V]

Ø=0 mmØ=1.6 mmØ=3.2 mmØ= 5.5 mmØ=11 mm

Slika 7.23. Zavisnost napona NTC senzora u funkciji brzine vetra pri promenljivoj vrednosti reduktora vazduha, termički izolovan sistem: UDC – napon napajanja,R –

ograničavački otpornik, A, B, C – prevojne tačke.

Naredna merenja se odnose na odziv segmentiranog NTC termistora u vremenu, tj. predstavljaju promenu otpornosti u funkciji od vremena. Uslovi pod kojima su vršena merenja su: prečnik otvora za protok vazduha Ø=1.6 mm, jednosmerni napon napajanja UDC je 34 V, otpornost R je 250 Ω, temperatura okoline je 29°C, struja i napon segmentiranog NTC termistora pre nego što su bili izloženi duvanju vetra, tj. procesu hlađenja, je 46,1 mA i 22,1 V respektivno. Vrednost otpornosti u početnom trenutku na 0 sekundi se izračunava preko Omovog zakona. Proces hlađenja se odvijao pri brzini vetra od 0 m/s. Na slici 7.24 je prikazana zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, računatog od momenta isključenja napona napajanja UDC od 34 V, pri brzini vetra od 0 m/s, sa korakom očitavanja otpornosti od 5 sekundi. Ova merenja se odnose na proces hlađenja termistora. Na slici 7.25 je prikazana zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, sa korakom očitavanja otpornosti od 30 sekundi. Na slici 7.26 je prikazana zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, sa korakom očitavanja otpornosti od 1 minut. Na slici 7.27 je prikazana zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, sa korakom očitavanja otpornosti od 5 minuta.



R(t), korak 5s, v=0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 60 120 180 240 300 360

t [s]

R [kΩ]

hladjenje, UDC=34V

Slika 7.24. Zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, računatog od momenta

isključenja napona napajanja UDC od 34 V, pri brzini vetra od 0 m/s.

R(t), korak 30s, v=0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780

t [s]

R [kΩ]

hladjenje, UDC=34V





R(t), korak 1min, v=0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

t [min]

R [kΩ]

hladjenje, UDC=34V




0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20 25 30 35

t [min]

R [kΩ]

hladjenje, UDC=34V


isključenja napona napajanja UDC od 34 V, pri brzini vetra od 0 m/s. Sledeće merenje se odnosi na merenje zagrevanja segmentiranog NTC termistora. Merenje otpornosti je vršeno pod opterećenjem senzora. Koraci očitavanja su bili pri 30 sekundi i 1 minut. To je zato što se grejanje termistora odvija u znatno kraćem vremenskom intervalu nego njegovo hlađenje. Temperatura okoline je 29°C. Otpornost NTC termistora ohlađenog na temperaturu okoline je 3.25 kΩ.



Na slici 7.28 je prikazana zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, računatog od momenta uključenja napona napajanja UDC od 34 V, pri brzini vetra od 0 m/s, sa korakom očitavanja otpornosti od 30 sekundi. Ova merenja se odnose na proces grejanja termistora. Na slici 7.29 je prikazana zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, sa korakom očitavanja otpornosti od 1 minut.

R(t), korak 30s, v=0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 60 120 180 240 300 360

t [s]

R [kΩ]

grejanje, UDC=34V


uključenja napona napajanja UDC od 34 V, pri brzini vetra od 0 m/s.


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

t [min]

R [kΩ]

grejanje, UDC=34V


uključenja napona napajanja UDC od 34 V, pri brzini vetra od 0 m/s.



Da bi se upotpunila provera i karakterizacija uniaksijalnog senzora vetra, potrebno je pored brzine vetra izvršiti merenje smera duvanja vetra. Ova merenja izvršena su pri temperaturi okoline od 27°C i pri prečniku otvora reduktora vazduha Ø=1.6 mm. Na slici 7.30 su prikazane merne tačke na segmentima termistora. Merene veličine su i . Razlika napona je . Smer jedan je dobijen kao

, a smer 2 kao 12U 34U dU

3412 UUdU −= 1234 UUdU −= .

Slika 7.30. Merenja razlike napona na segmentima senzora.

Na slici 7.31 prikazan je dijagram napona uniaksijalnog senzora u funkciji brzine vetra pri dva različita smera duvanja vetra.

UDC=34V, Ø=1.6 mm

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

dU [V]

Smer 1

Smer 2

Slika 7.31. Dijagram napona uniaksijalnog senzora u funkciji brzine vetra pri dva

različita smera duvanja vetra ka uniaksijalnom senzoru. Da bi se uradilo merenje odziva pri nekim drugim brzinama vetra, senzor vetra je držan konstantno izložen toj brzini vetra i urađen je potpun proces grejanja i hlađenja segmentiranog NTC termistora. Temperatura okoline bila je 27°C, predotpor R 250 Ω, reduktor protoka vazduha Ø=1.6 mm, a korak merenja 30 sekundi Ovo merenje je rađeno u dve faze - faza uključenja i faza isključenja, tj. grejanja i hlađenja



segmentiranog NTC termistora. Merenja su izvršena za četiri slučaja, tj. četiri brzine vetra i to 0, 1.4, 4.4 i 12.1 m/s. Na slikama 7.32 i 7.33 prikazani su rezultati koji predstavljaju zavisnost otpora termistora R(t) od vremena, računatog od momenta isključenja napona napajanja UDC od 34 V, sa reduktorom Ø=1.6 mm, pri hlađenju i grejanju senzora (t-vreme).

R(t) - grejanje, korak 30s, v≠0

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

t [min]

R [kΩ]

v=0 m/sv=1.4 m/sv=4.4 m/sv=12.1 m/s


isključenja napona napajanja UDC od 34 V, sa reduktorom Ø=1.6 mm, brzina vetra različita od 0 m/s.

R(t) - hladjenje, korak 30s, v≠0

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

0 2 4 6 8 10 12 14 16

t [min]

R [kΩ]

v=0 m/sv=1.4 m/sv=4.4 m/sv=12.1 m/s


uključenja napona napajanja UDC od 34 V, sa reduktorom Ø=1.6 mm, brzina vetra različita od 0 m/s.



7.2. NTC segmentirani termistor kao senzor temperature Termistor koji meri temperaturu vazduha T (slika 7.34) nema samozagrevanje strujom i nezavisan je u svom radu. Njegova električna otpornost je funkcija temperature vazduha sa kojim je u kontaktu. Na red sa njim je stavljen otornik relativno velike otpornosti, reda veličine ulazne otornosti digitalnog voltmetra.

Slika 7.34. Senzor temperature, poprečni presek: (1) otvor za protok vazduha,

(2) kućište, (3) PdAg elektroda NTC segmentiranog termistora, (4) lemna tačka.

7.2.1. Merene krive NTC zavisnosti R(t) Prilikom formiranja senzorskog sistema 3D anemometra izvršeno je uparivanje segmentiranih NTC termistora na različitim temperaturama okoline da ne bi došlo do razilaženja rezultata NTC termistora postavljenih po različitim osama senzorskog sistema. Merenje je izvršeno u klima komori Heraeus – VÖTSCH na temperaturama od -20 do 100°C. U tabeli 7.2 su prikazani rezultati merenja otpornosti R na različitim temperaturama t za sedam uzoraka segmentiranih NTC termistora. Tabela 7.2. Vrednosti otpornosti R(t) u funkciji temperature za segmentirani NTC termistor – senzor temperature

t R1[kΩ] R2[kΩ] R3[kΩ] R4[kΩ] R5[kΩ] R6[kΩ] R7[kΩ] -20 45.2 39.45 42.47 43.81 47.99 45.35 45.01 -10 24.15 24.22 25.52 25.65 28.31 25.92 25.06 0 14.87 14.54 14.89 14.33 15.15 14.68 15.14 10 9 8.85 9.09 8.77 9.34 8.99 9.29 20 5.82 5.75 5.85 5.58 5.97 5.7 5.89 30 3.96 3.92 3.98 3.81 4.07 3.84 3.98 40 2.68 2.69 2.73 2.59 2.78 2.61 2.71 50 1.84 1.83 1.85 1.77 1.89 1.77 1.85 60 1.303 1.31 1.33 1.28 1.37 1.3 1.35 70 0.94 0.95 0.95 0.91 0.97 0.917 0.95 80 0.675 0.691 0.685 0.651 0.695 0.674 0.695 90 0.505 0.517 0.512 0.483 0.522 0.5 0.523 100 0.386 0.404 0.397 0.377 0.409 0.394 0.41



Na slici 7.35 je prikazana zavisnost otpornosti od temperature za sedam uzoraka segmentiranih NTC termistora u logaritamskoj skali. Vidi se da su odstupanja otpornosti neznatna i da uzorci mogu da se ugrade u senzorski sistem. Na slici 7.36 je prikazana ista ta zavisnost u linearnoj razmeri.

0.1

1

10

100

-20 0 20 40 60 80 100

t[ºC]

R[kΩ]

R1R2R3R4R5R6R7

Slika 7.35. Zavisnost otpornosti R segmentiranog NTC termistora od temperature t u

klima komori – logaritamska skala.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120

t[oC]

R[kΩ ]R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

Slika 7.36. Zavisnost otpornosti R segmentiranog NTC termistora od temperature t u

klima komori.


Diskusija

8. Diskusija

Segmentirani NTC debeloslojni termistori imaju složenu planarnu geometriju čije su glavne prednosti u povećanju snage komponente, mogućnosti podešavanja otpornosti preko broja segmenata – ćelija, kao i raspodela otpornosti, napona i struje po segmentima. Na taj način se ostvaruje velika kontaktna površina sa spoljnim fluidom (vazduhom) i postoji mogućnost integralnog i diferencijalnog merenja temperature, protoka, brzine vetra i sl. Ideja za realizaciju 3D anemometra na bazi segmentiranih NTC termistora nastala je nakon formiranja i karakterizacije uniaksijalnog anemometra. Ova diskusija analizira rezultate istraživanja i optimizaciju uniaksijalnog anemometra kao baznog elementa za 3D anemometar.

8.1. Optimizacija dimenzija 3D anemometra 3D anemometar je formiran od 5 senzora dimenzije 51 x 6.36 mm2. Senzori su debeloslojni segmentirani NTC termistori. Segmentirani NTC termistori su imali snagu od 1.5 W. Optimizacija tih senzora izvršena je sa više aspekata, od kojih je presudnu ulogu igrala potrošnja i radna temperatura senzora. Kako je za ovaj senzorski sistem poželjna što duža autonomija rada, postoji potreba za snižavanjem potrošnje samih NTC termistora, a sa druge strane mora da se vodi računa o potrebi da sami sebe da greju jer su namenjeni za rad u umereno kontinentalnim klimatskim uslovima. Planarna konstrukcija segmentiranih NTC termistora prikazana je na slikama 6.1, 6.2 i 6.3. Planarna konstrukcija uniaksijalnog senzora treba da obezbedi dobar prenos toplote (hlađenje) između termistora na Al2O3 podlozi i vazduha koji struji kroz kućište anemometra. Ovaj tip termistora istovremeno je i gradijentni termistor, jer se tokom strujanja fluida formira gradijent temperature duž termistora, što je iskorišćeno za određivanje pravca vetra. Iz električnih karakteristika U/I, R(t) itd, vidi se da ovaj termistor može da se koristi do nekoliko MHz u kolima sa AC režimom. Prostorni raspored x, y, z tri uniaksijalna termistora u 3D anemometru je dat na slikama 7.1 i 7.2. Sa slika se vidi da su uniaksijalni senzori postavljeni u pravcima Dekartovih koordinatnih osa i na taj način detektuju promene vetra po svim pravcima (meri se vektor brzine - projekcije na ose i uglovi). Segmentirani NTC termistori su postavljeni u cilinričnim kanalima višeslojne drvene kocke tako da međusobno temperaturno vrlo malo ili neznatno intereaguju. Na ovaj način se obezbeđuje da promena temperature segmentiranog NTC termistora dominantno nastaje usled promene temperature ambijenta ili promene brzine vetra.


Diskusija

8.2. Analiza odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra sa ograničavačem struje

Analiza odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra izvršena je u rasponu brzina vetra od 0 do 15 m/s, sa različitim naponima napajanja koji su se kretali u opsegu od 24 do 40 V. Pri tome su uočene sledeće pojave: za napone od 40 V ograničavač struje izvora za napajanje na slici 7.6 (tačka A) počinje da deluje čime se nagib krive menja. Ta pojava se uočava i na slici 7.7 (tačke A, B i C) gde pri snagama termistora većim od 1.5 W proradi tranzistorski ograničavač sa slike 7.8. Prosto ograničavačko kolo koje ima fukciju ograničavanje struje u cilju sprečavanja pregrevanja i oštećenja segmentiranog NTC termistora (zagrevanje do najviše temperaturne radne tačke koja za ovu vrstu NTC termistora iznosi oko 130°C). Oblik zavisnosti struje uniaksijalnog NTC senzora je eksponencijalna (funkcija brzo opada) i poželjno je da se taj nagib ublaži, jer se veliki deo promene struje termistora ostvari pri promeni brzine vetra od manje od 3 m/s. U cilju smanjenja nagiba zavisnosti struje NTC senzora predloženo je rešenje dato na slici 7.9 i 7.10. Promenjena je veličina otvora za protok vazduha (aperture) sa 11 mm na 5.5 mm. Vidimo da na slici 7.9 između prevojnih tačaka A, B, C i A1, B1, C1, kao i na slici 7.10 između prevojnih tačaka A, B, C, D, E i A1, B1, C1, D1, E1, dolazi do opadanja struje segmentiranog NTC termistora tj. do smanjenja hlađenja uniaksijalnog senzora. To se postiglo menjanjem napona napajanja uniaksijalnog senzora i to u vrednostima od 28, 32, 34, 36 i 40 V. Menjane su struje pri kojima ograničavač sa tranzistorom proradi. S obzirom da su krive menjale pravac u prevojnim tačkama A, B, C i D odnosno A1, B1, C1 i D1 na slici 7.10 uz male varijacije zaključeno je da se optimizacija izvrši sa najvećim naponom napajanja i različitim vrednostima otpornosti u ograničavaču struje. Vršene su i promene vrednosti otpornosti u emitorskom kolu strujnog ograničavača. Menjane su vrednosti otpornosti u opsegu od 14.2 do 20.2 Ω. Ni jedna od krivih na slici 7.11 nije pokazala zadovoljavajuću linearnost a najpribližnija tome je kriva dobijena pri R=20.2 Ω koja takođe ima prelomnu tačku D. Što se snaga grejanja povećava, promena nagiba krive je veća. Ni dodavanje rednog otpornika između E i C nije moglo značajnije da popravi linearnost kod ove varijante segmentiranog NTC termistora sa ograničavačem sa slike 7.12 (slike 7.13 i 7.14). Na slici 7.13 se uočava prevojna tačka A u oba slučaja, sa ubačenim otpornikom u EC kolo tranzistora , kao i bez otpornika. Struje NTC senzora se praktično poklapaju. Na slici 7.14 pri promeni struje baze tranzistora imamo skoro identičan slučaj, samo što se nivo signala menja. Umesto merenja struje u ograničavaču kao odziva stuje u funkciji vetra meren je i napon na segmentiranom NTC termistoru takođe u funkciji brzine vetra (slika 7.16). Može konstatovati da je dobijena bolja linearnost nego kod merenja struje naročito na


Diskusija

krivoj 1 (40 V, 14 Ω), i dalje postoje strmine u nagibu NTC karakteristika i to između prevojnih tačaka AA1, BB1, CC1 i DD1. Merenjem struje i napona istovremeno, može se dobiti zavisnost R u kΩ u funkciji brzine vetra za različite napone napajanja i otpornike za ograničenje kao na slici 8.1. Na slici 8.1 je prikazana otpornost u zavisnosti od brzine vetra. Ona je izračunata preko Omovog zakona iz merenih vrednosti struja i napona segmentiranog

NTC termistora prikazanih na slikama 7.15 i 7.16. Ovim proračunom (NTC

NTCNTC I

UR = )

se potvrđuje strujna i naponska zavisnost uniaksijalnog senzora vetra. Na slici 8.2 su prikazane krive snage pri različitim uslovima pod kojim su vršena merenja segmentiranog NTC termistora. Krive su dobijene računskim putem preko obrasca za snagu NTCNTCNTC IUP ⋅= , gde su napon i struja mereni na samom

senzoru.

NTC krive

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16v [m/s]

R [kΩ]

UDC=40V, R=14ΩUDC=36V, R=14ΩUDC=32V, R=14ΩUDC=40V, R=12.8ΩUDC=36V, R=12.8Ω

A

A1

B

B1

C

C1

D

D1

E

E1

Slika 8.1. Otpornost segmentiranog NTC termistora u funkciji brzine vetra:

UDC – napon napajanja, R – otpornost u emitorskom kolu tranzistora, A, B, C, D, E, A1, B1, C1, D1, E1 – prevojne tačke.

Ovo je izračunato i prikazano preko Omovog zakona, što pokazuje da je snaga na segmentiranom NTC termistoru promenljiva. Na toj zavisnosti se takođe uočavaju tačke A, B, C, D, E i A1, B1, C1, D1, E1 kao na slici 8.2 gde je prikazana promena snage u funkciji brzine vetra. Vidi se da je snaga koja se oslobađa na segmentiranom NTC termistoru manja od 1.8 W, što ukazuje na relativno malu potrošnju jer je potrebno da se uniaksijalni senzor koristi uz autonomno napajanje na udaljenim mestima.


Diskusija

Krive snage uniaksijalnog anemometra

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16

v [m/s]

P [W]UDC=40V, R=14Ω UDC=36V, R=14ΩUDC=32V, R=14Ω UDC=40V, R=12.8ΩUDC=36V, R=12.8Ω

A

BC

DE

A1

B1

C1D1

Slika 8.2. Zavisnost snage od brzine vetra uniaksijalnog anemometra: UDC – napon

napajanja, R – otpornost u emitorskom kolu tranzistora,A, B, C, D, E, A1, B1, C1, D1 – prevojne tačke.

8.3. Analiza odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra sa otpornikom u funkciji ograničavača

Umesto tranzistorskog strujnog ograničavača segmentiranog NTC termistora uniaksijalnog anemometra, kao ograničavač struje korišćen je običan pasivni otpornik. U zavisnosti od vrednosti otpornosti, dobijaju se različite NTC karakteristike. Korišćenjem otpornika od 250, 500, i 540 Ω dobijaju se krive koje imaju različite nelinearnosti pri zadatim uslovima napajanja i otpornika za ograničenje. Ovde je korišten reduktor protoka vazduha od 5.5 mm. To se može vidjeti na slikama 7.17 i 7.18. Istovremeno su mereni struja i napon na segmentiranom NTC termistoru. Pri naponu napajanja od 40 V otpornosti ograničavača struje su 500 i 540 Ω, dok pri naponu napajanja od 33 V otpornost je 250 Ω. Prevojne tačke A, B, C, na slici 7.17, predstavljaju koleno strujne zavisnosti i tu dolazi do bržeg opadanja otpornosti sa promenom brzine vetra. Promenom otvora za ulazak vazduha u uniaksijalni anemometar, dimenzije aperture, moguće je popraviti linearnost (što je i učinjeno) tako da je kriva sa 0 mm otvorom (zatvoren otvor) pokazala najbolju linearnost, pri tome senzor još nije bio smešten u drveno kućište pa je nastalo linearno hlađenje usled duvanja vetra zbog opstrujavanja vazduha oko plastične čaure sa termistorom (prikazano na slikama 7.19


Diskusija

i 7.20). Prevojne tačke A, B i C predstavljaju promenu nagiba strujne i naponske zavisnosti pri različitim dimenzijama apertura. Nakon ovoga urađena su merenja na izolovanom sistemu gde je termistor sa plastičnom čaurom smešten u drveno kućičte kao na slici 7.21. Za fiksan napon od 34 V i redni otpornik za ograničavanje struje od 250 Ω mereni su odzivi uniaksijalnog anemometra za različite aperture (dimenzije otvora su 0, 1.6, 3.2, 5.5 i 11 mm) kada je izlazni odziv bila struja, odnosno napon (slike 7.22 7.23). S obzirom da su ove krive glatke, relativno istog nagiba, za dalju primenu je izabran otvor Ø=1.6 mm iz razloga što ima najsporiju promenu struje segmentiranog NTC termistora u funkciji od brzine vetra. Brzina odziva ovog sistema pri uključenju na napon, i isključenju istog tog napona napajanja segmentiranog NTC termistora, bez vetra, data je na slikama 7.24 do 7.29. Sa tih slika se vidi da je vremenska konstanta sistema sa drvenim kućištem velika, ali da se 90 % promene odvija za 5 minuta. S obzirom da je namena anemometra da daje odziv svakog minuta, i da to radi celodnevno 365 dana u godini, zadovoljava uslove i inercija mu nije prepreka za tu upotrebu (slika 7.27). Na internim elektrodama segmentiranog NTC termistora, razlika napona U12 – U34 definiše smer brzine vetra, gde duvanje vetra u direktnom smeru duž x ose daje pozitivne napone veće od 0 a duvanje u suprotnom smeru da je negativne naponske razlike. Time je određivanje pravca brzine vetra postignuto obzirom da su naponske razlike uglavnom veće od 0.5 V i manje od -0.5 V što se lako meri. To je prikazano na slici 7.31. Za nekoliko različitih brzina vetra 0, 1.4, 4.4 i 12.1 m/s izvršeno je snimanje vrednosti R tj. U/I pri hlađenju, merena je inercija sistema preko merenja promene otpornosti pri konstantnim brzinama vetra (slike 7.32 slika 7.33). Sva merenja su vršena na sobnim temperaturama.

8.4. Analiza temperaturnih odziva NTC segmentiranog termistora uniaksijalnog anemometra

Temperaturni odziv NTC senzora meren je u klima komori (Heraeus – VÖTSCH, model – D7460, tip VMT 06/16/HT tolerancije ±0.2°C, zapremine 50 dm3). Taj temperaturni odziv segmentiranog NTC termistora je prikazan na slici 7.35. Odziv je predstavljen logaritamskom skalom. Mereno je sedam uzoraka sa ponovljenim rezultatima.


Diskusija

8.4.1. Interpolirane krive zavisnosti otpornosti R(t) od temperature Na osnovu formule (2.2) može da se dobije ponovljena zavisnost otpornosti

od temperature sa odgovarajućim parametrima za datu NTC pastu. Ta zavisnost je predstavljena kao

( )tR

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++⋅= ...exp 320 T

DTC

TBRR . (8.1)

Eksperimentalnim putem su određeni parametri B, C i D i iznose 3765, 300 i 0 respektivno. je otpornost segmentiranog NTC termistora na sobnoj temperaturi od

25°C. 0R

Kada se menja od vrednosti 3k do 5 kΩ dobijaju se zavisnosti otpornosti na

temperaturama od -20 do +40°C. Izabran je ovaj temperaturski opseg, jer se predpostavlja da će senzor da radi u umereno kontinentalnoj klimi.

0R

Na slici 8.3 i 8.4 su prikazane zavisnosti otpornosti u opsegu temperatura od -20 do +40°C u logaritamskoj i linearnoj zavisnosti, respektivno. Na tim slikama je prikazana i jedna eksperimentalna kriva koja je u dobroj saglasnosti sa fitovanim NTC karakteristikama.

1

10

100

-20 -10 0 10 20 30 40

T [ºC]

R [kΩ]

3K5K

EXP.

Slika 8.3. Zavisnost otpornosti R(t) od temperature, u logaritamskoj razmeri:

EXP – eksperimentalna kriva, 3K – 5K – fitovane krive.


Diskusija

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-20 -10 0 10 20 30 4

T [ºC]

R [kΩ]

0

3K5K

EXP.

Slika 8.4. Zavisnost otpornosti R(t) od temperature, u linearnoj razmeri:

EXP – eksperimentalna kriva, 3K – 5K – fitovane krive. Na slikama od 8.5 do 8.10 su prikazane linearne zavisnosti otpornosti od temperature u opsezima od po 10°C i tako je obuhvaćen opseg od -20 do +40°C.

15

20

25

30

35

40

45

50

-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10T [ºC]

R [kΩ]

EXP.

5K

3K

4K

4.5K

3.5K

Slika 8.5. Zavisnost otpornosti R(t) od temperature, u linearnoj razmeri u opsegu

od -20 do -10°C: EXP – eksperimentalna kriva, 3K – 5K – fitovane krive.


Diskusija

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

T [ºC]

R [kΩ]

EXP.

5K

4.5K

4K

3.5K

3K


od -10 do 0°C: EXP – eksperimentalna kriva, 3K – 5K – fitovane krive.

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

T [ºC]

R [kΩ]

0

3K

3.5K

4K

4.5K

5K

EXP.

Slika 8.7. Zavisnost otpornosti R(t) od temperature, u linearnoj razmeri u ospegu

od 0 do +10°C: EXP – eksperimentalna kriva, 3K – 5K – fitovane krive.


Diskusija

3

4

5

6

7

8

9

10

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

T [ºC]

R [kΩ]

EXP.

5K

4.5K

4K

3.5K

3K


od +10 do +20°C: EXP – eksperimentalna kriva, 3K – 5K – fitovane krive.

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

T [ºC]

R [kΩ]

3K

3.5K

4K

4.5K

5K

EXP.




Diskusija

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

T [ºC]

R [kΩ]

3K

3.5K

4K

4.5K

5K

EXP.



Da bi NTC senzor mogao biti korišćen za merenje temperature, izvršena je interpolacija krivih kao na slikama od 8.3 do 8.10 koristeći formulu (8.1) sa pažljivo odabranim koeficijentima koji je približnije određuju. Konstatovano je da su krive koje su dobijene simulacijom (računskim putem) u dobroj slaglasnosti sa eksperimentalnom krivom pa se na osnovu promene R(t) po 50 Ω može računati vrednost temperature za te krive. Temperaturni odziv uniaksijalnog anemometra u funkciji brzine vetra na različitim temperaturama (-10, -20, 0, 10, 20, 30, 40°C) dat je na slici 8.11. Tabelarni prikaz merenja u klima komori dat je u tabeli 8.1.


Diskusija

NTC krive, Ø=1.6mm

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12 14 16v [m/s]

I [mA] 40°C30°C20°C10°C0°C-10°C-20°C

A

B

C

Slika 8.11. Temperaturni odziv uniaksijalnog anemometrau funkciji brzine vetra u

klima komori na različitim temperaturama ambijenta pri konstantnom naponu napajanja UDC=34 V: A, B, C – prevojne tačke.

Tabela 8.1. Vrednosti otpornosti uniaksijalnog senzora u klima komori pri različitim brzinama vetra T [°C] 40°C 30°C 20°C 10°C 0°C –10°C –20°C v [m/s] I [mA] I [mA] I [mA] I [mA] I [mA] I [mA] I [mA]

0 57.8 53.2 40.5 18.3 5.3 2.72 1.56 1.4 53.6 50.2 38 15.8 5.08 2.62 2.9 50.2 45.8 32.5 13.3 4.84 2.55 4.4 47.3 42.5 27.2 11.2 4.53 2.5 5.4 43.7 38.2 21.5 9.8 4.36 2.44 6.3 41.3 33.3 18.6 9.13 4.18 2.4 1.54 9.4 34.8 25.9 14.5 7.96 4.08 2.34

12.1 31.5 22.7 13.2 7.52 3.97 2.33 14.2 30.1 21.4 12.9 7.45 4.11 2.33 1.5 15.7 29.5 20.6 12.7 7.35 4.26 2.35

Uočava se uticaj otpornika za ograničenje struje na krivama (prevojne tačke A, B i C) kada prolazi veća struja kroz NTC segmentirani termistor i kada je temperatura ambijenta 20, 30 i 40°C. Na nižim temperaturama ambijenta uticaj tog otpornika je zanemarljiv, a hladan vazduh, naročito pri temperaturama ambijenta od 0, -10 i -20°C, toliko brzo hladi termistor i toliko mu brzo povećavaju otpornost da je grejanje usled sopstvene struje malo. Za temperature od -10 i -20°C ono je praktično zanemarljivo.


Diskusija

U našem slučaju smo NTC senzor u anemometru grejali sa izvorom konstantnog napona od 34 V, dok je struju određivao sam termistor usled spoljašnje temperature i usled konvekcije vazduha. S obzirom da je konvekcija pri hladnom vazduhu toliko velika, jedini način za poboljšanje rada anemometra na temperaturama ispod 0°C jeste bolja izolacija sistema, odnosno izbegavanje direktnog kontakta vazduha sa termistorom. U tu svrhu predlaže se zatvaranje termistora u posebnu plastičnu čauru radi smanjenja uticaja spoljašnje temperature, kao i smanjenje protoka vazduha usled relativnog smanjenja povećanja brzine vetra. To bi verovatno omogućilo da se krive na slici 8.11 od 0, -10 i 20°C približe krivama od 10, 20, 30 i 40°C. Po našem mišljenju na taj način amemometar bi bio efikasan i na temperaturama ispod nule, što je naš krajnji cilj u narednoj fazi istraživanja.

8.5. Formiranje 3D anemometra pomoću uniaksijalnog anemometra i termometra

3D anemometar se formira od X, Y, Z uniaksijalnih anemometara. Tako realizovan 3D anemometar meri vektor brzine vetravr . Moduo brzine vetra je dat kao

v

222 zyxv ++=

r , (8.2)

gde su , xr yr i projekcije vektora zr vr na x, y, z ose i predstavljaju odzive na promenu vektora v . r

Uglovi pod kojim vektor v nailazi na merni sistem 3D anemometra su r

vx

arctg r

r

=∠α , (8.3)

vy

arctg r

r

=∠β , (8.4)

vz

arctg r

r

=∠γ , (8.5)

gde su , xr yr i merene projekcije na ose x, y, z. zr

Ovim matematičkim izrazima je potpuno određena brzina i pravac vetra koji deluje na 3D anemometarski sistem.


Zaključak

9. Zaključak Već u uvodu i teorijskom delu je naglašen značaj termistorskog anemometra kao elektronskog senzora bez pokretnih delova, sa promenom otpornosti kao izlaznom veličinom, koja se lako i precizno može meriti, u različitom temperaturnom i vremenskom opsegu. U ovoj tezi izvršena je optimizacija debeloslojnog NTC segmentiranog termistora za potrebe uniaksijalnog i 3D anemometra, sa idejom da se isti senzori koriste za merenje brzine vetra, njegovog pravca i smera. Isti senzori vrše posredno merenje temperature. Predviđeno je da senzor vlage koristi takođe dva ista segmentirana senzora u diferencijalnoj vezi za merenje promene vlage pri određenoj temperaturi. Međutim, realizacija takvog senzora je krupan zadatak i izašla je iz okvira ove magistarske teze. Jedan od glavnih ciljeva teze je bio da se postepenom realizacijom komponenti za 3D anemometar, njihovom karakterizacijom i optimizacijom dođe do novog senzorskog sistema (3D anemometar) koji bi radio čisto elektronski i čije rezultate bi obrađivao i čuvao poseban personalni računar. Dosadašnji rezultati u izgradnji elemenata za 3D anemometar su pokazali da je ideja realna i da je jedan deo istraživačkog zadatka koji je i dat u ovoj magistarskoj tezi već završen, što ne znači da se ne mogu vršiti i nove optimizacije ovih elemenata u cilju proširenja osetljivosti za niže temperature ambijenta. Segmentirani NTC termistor kao senzor temperature i gradijenta temperature je prema rezultatima prikazanim u ovoj tezi veoma pogodan za precizna merenja temperature, može se modelovati fizičko-matematičkim modelom, a ako je potreban rad u širem frekventnom opsegu od nekoliko MHz, MWO analizom je pokazano da je impedansa termistora pretežno rezistivnog karaktera i da je stabilna. Merenje gradijenta temperature pomoću internih elektroda na segmentiranom NTC termistoru je moguće u više tačaka. Izbor mernih tačaka za određivanje pravca vetra pokazuje da je dovoljno uzeti po dve ćelije, odnosno segmenta, pa da razlika napona (usled gradijenta raspodele napona) bude merljiva u V, odnosno ako se meri otpornost - u stotinama Ω. Realizovani uniaksijalni anemometar sa segmentiranim NTC termistorom ima krajnje jednostavnu konstrukciju – kućište je u obliku cilindra sa malim otvorima na osnovama za regulaciju protoka vazduha – brzine hlađenja segmentiranog NTC termistora, koji je postavljen podužno po sredini cilindra. Prikazani rezultati pokazuju da je ova konstrukcija pogodna za temperature od 0 do 40°C, dok je za niže temperature potrbna modifikacija s obzirom da termistori rade u režimu samozagrevanja i priključeni su na stabilan napon napajanja. Uniaksijalni anemometar radi na principu gubitka toplote usled strujanja vetra, odnosno promene otpornosti tj. struje koja protiče kroz njega pri promeni brzine vetra. Regulacija aktivnim kolom (tranzistorom) pokazuje da se ograničenje struje ne može izvesti bez prevojnih tačaka ni u kojoj varijanti podešavnja elemenata tranzistorskog kola. Za razliku od toga uvođenje otpornika kao pasivnog ograničavača, ograničava struju i


Zaključak

snagu koja se emituje na NTC segmentiranom termistoru, naročito na visokim temperaturama ambijenta, dok na niskim temperaturama kada otpornost segmentiranog NTC termistora značajno poraste, uticaj malog fiksnog otpornika je zanemarljiv. Uvodjenje otpornika kao pasivnog ograničavača ne menja bitno NTC krivu na srednjim i nižim temperaturama i ona ostaje glatka ali nelinearna u celom opsegu promene. Uvođenje toplotnog izolatora (drvenog kućišta) sprečilo je radijalno hlađenje termistora usled razmene temperature sa vazduhom koji struji oko njega dok je bio smešten u plastičnoj cevi. Međutim, pri jako niskim temperaturama direktno hlađenje termistora usled vazduha koji struji kroz optimalnu aperturu ne daje dovoljnu osetljivost uniaksijalnog anemometra. Za buduće eksperimente predlaže se rešenje u vidu dvo-stepenog izolovanja u kome bi se sa istim otvorom za protok vazduha znatno smanjilo hlađenje termistora, koje više ne bi bilo direktno kao u dosadašnjem rešenju, već bi bilo indirektno preko novog izolatora. Termistor bi naime bio smešten u novu izolacionu komoru od plastike koja ne bi imala otvore za dotok vazduha nego bi se hladila radijalno, upravo opstrujavanjem vazduha oko nje. Varijanta sa opstrujavanjem vazduha oko termistora je već prikazana u tezi ali nova varijanta bi kombinovala to rešenje sa izolovanjem u drvenom kućištu. Određivanje vektora brzine vetra vrši se na osnovu projekcija vektora brzine na x, y i z osu, odnosno pomoću tri istovetna uniaksijalna anemometra tako što se izračunava moduo a na osnovu projekcije i modua uglovi prema osama pomoću formula koje su date u tezi. Pravac i smer vetra se određuju neposrednim merenjem napona na internim elektrodama. Izbor krive sa koje se očitava intenzitet brzine vetra zavisi od temperature ambijenta koja se meri pomoću NTC senzora koji meri temperaturu okoline kao senzor temperature. Za temperature koje su između merenih temperatura, korišćene su simulirane krive na bazi modela za segmentirane NTC termistore. Isto tako, za različite temperature ambijenta moguće je između merenih krivih uneti interpolirane krive prema fizičkom modelu za termistore ili nekom poluempirijskom modelu tako da bi se za svaki stepen promene mogla izsimulirati (izračunati) jedna takva kriva. S obzirom, da je za proračun brzine vetra i njegov pravac potrebno meriti tri struje, tri napona i jednu struju termistora koji se ne zagreva, zatim računati module vektora brzine vetra i uglove u odnosu na koordinatne ose prema kompasu, potrebno je koristiti računare i interpolacione programe. Isto tako, za veći broj merenja, svaki minut u toku jednog dana, meseca, godine potrebno je vršiti ogroman broj računanja i čuvanja podataka zbog čega je potrebno trajno vezati 3D anemometarski sistem na akvizicionu kartu i personalni računar. Jedna od ideja je bila da se pomoću tog istog računara određuju srednje brzine vetra radi iskorišćavanja energije vetra za proizvodnju električne energije. U tom slučaju bi 3D anemometar, koji je u glavnim delovima prikazan u tezi, prerastao u inteligentni 3D anemometar za meteorološka merenja i upravljanja u realnom vremenu. Ovim je u potpunosti definisan značaj ovih rezultata u tezi a date su i realne ideje za nastavak eksperimentalnog rada.


Literatura

10. Literatura

[1] Siemens & Matsushita; Passive Components (Product Survay) – Chip

Termistors, 16-17, 1993. [2] ESL (Elect. Sci. Labs., NJ, USA); Thick Film and Optoelectronic Materials;

Catalog S-73-74, 1-4, 1975. [3] EI Ferrites; Thermistors 75; Catalogue, Belgrade, 2-4, 1975. [4] O.S. Aleksić, V.D. Jokić, S. Đurić, J. Pavlović, V.Ž. Pejović; Zbornik radova

40. Konferencije za ETRAN, 517-520, Budva, 4-8 juni, 1996. [5] E.D. Maclean; Thermistors; Electrochem. Pub., Glasgow, 5-11, 1979. [6] R. Schmidt, A. Basu, A. W. Brinkman, Physical Review B, Vol 72, 115101(1-

9),2005. [7] V. A. M. Brabers, J. C. J. M. Terhell, Physica Status solidi (A), Vol 69, 1, 325-

332, 1982. [8] R. D. Shanon, P. E. Bierstedt, J. Am. Cer. Soc. 53 , 635, 1970. [9] D. Adler, H. Brooks, Phys. Rev. 155, 826, 1967. [10] N. F. Mott, Rev. Mod. Phys. 12 , 328, 1967. [11] W. H. Stehlow, E. L. Cook, J. Phys. Chem. Ref. Data 2, 163-200, 1973. [12] T. Stratton, Doctoral Thesis, Department of Materials Science and

Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Sept. 1983. [13] S.Fritsch, J.Sarrias, M. Brieu, J.J. Couderc, J. L. Baudour, E. Snoeck, A.

Rousset, Solid State Ionics ,Vol 109 , 229-237, 1998. [14] O. Aleksić, P. Nikolić, L. Lukić – Analiza svojstava debeloslojnih NTC

termistora i njihova primena, NTB 2003 (1), pp.3-17. [15] K Park , D. Y .Bang, Materials in electronics, 14, 81-87, 2003. [16] R. Schmidt, A. W. Brinkman, International Journal of Inorganic Materials 3

1215-1217, 2001 [17] P.W. Cruse, R.C. McQuistan; Elements of IR Technology, Generation,

Transmission and Detection; Wiley, 155-197, 1962. [18] Pitts, E. And Preistley, P.T., “Constant Sensitivity Bridge for Thermistor

Thermometers”, J. Sci. Inst. 39, 75 (1962). [19] P.W. Cruse, R.C. McQuistan; Elements of IR Technology, Generation,

Transmission and Detection; Wiley, 155-197, 1962. [20] Thermistor Application Notes, “NTC Thermistor Theory”,

www.betatherm.com.


www.betatherm.com

Literatura

[21] O.Aleksić, B.Radojčić, R.Ramović: "Electrode effect on NTC planar thermistor volume resistivity", Proc. of 25th Int. Conf. on Microelectronics (IEEE- MIEL 2006) 14-17 May 2006, Belgrade, IEEE Cat. no. 06TH8868 pp. 619-622.

[22] V. Marić, M. Luković, Lj. Živanov, O.Aleksić, A.Menićanin: “EM Simulator Analysis of Optimal Performance Thick Film Segmented Thermistors versus Material Characteristics Selection”, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement”, prihvaćeno za štampanje, april 2008.

[23] “MWO/VSS Getting started guide”, Version 6.53, july 2005, Applied Wave Research, Inc.

[24] Gavrilov, M., B., 2000: Meteorologija, Odsek za vazdušni saobraćaj, Saobraćajni fakultet Univerzitet u Beogradu, Beograd, 191(+slike+prilozi) str. (skripta)

[25] http://www.freepatentsonline.com/ [26] S.L. Fu and Chiou; Studies of Thick Film Thermistors; Hybrid Circuits, Vol.

4, pp. 15-18, 1982. [27] H. Arima; Thick Film Thermistors and RTD, in Thick Film Sensors; Elsevier,

pp. 127-150, 1995. [28] H. Ikegami, IEEE Trans CHMT, Vol. 3, pp. 541-550, 1980. [29] H. Golonka, Hybrid Circuits, Vol. 28, pp. 9-12, 1992. [30] Aleksić, O. S., Marić, V. D., Živanov, L. D., Menićanin, A. B.: “A Novel

Approach to Modeling and Simulation of NTC Thick-Film Segmented Thermistors for Sensor Applications”, IEEE Sensors Journal, Volume 7, Issue 10, Oct. 2007 pp.:1420 – 1428

[31] O.S.Aleksić, “Three Dimensional Anemometer Comprising Thick Film Segmented Thermistors”, Patent pending (in progress): Patent 2005/0576, 27 July, Belgrade, SERBIA, PCT/YU2005/ 000 015 19.July 2006.


http://www.freepatentsonline.com/

Documents

ANALIZA OSNOVNIH KARAKTERISTIKA TRODIMENZIONALNOG ... · vetra. Zbog toga su potrebni 3D anemometri (x, y, z) koji bi zamenili 2D anemometre (x, y). Njihova izrada je znatno komplikovanija,