Датчики давления и температуры корпорации TDK-EPC:
номенклатура, особенности и применение

Спектр продукции датчиков и актюаторов TDK и EPCOS

Обе компании, входящие в корпорацию — TDK и EPCOS — выпускают широкую номенклатуру различных датчиков физических величин. К категории сенсоров и актюаторов, представленных в каталогах корпорации 2013 года, относятся следующие продукты (рис. 1):

Рис. 1. Основные типы датчиков TDK-EPC

• Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (продукция TDK). Приборы выпускаются с проволочными выводами, в корпусах для монтажа на поверхность, с креплениями под винты, на стеклянной подложке, в пластиковых водонепроницаемых корпусах, а также для работы в нефтепродуктах и при высокой температуре.
• Термисторы для измерителей температуры (EPCOS). Предлагается более трех десятков серий приборов, в том числе выполненных в виде законченных узлов.
• Датчики для схем температурной защиты (EPCOS). Восемь серий датчиков в корпусах для монтажа на поверхность и с проволочными выводами.
• Датчики влажности (TDK). Эти компоненты выпускаются в круглых и прямоугольных корпусах, а также в защищенных от воздействий внешней среды исполнениях.
• Датчики уровня сыпучих материалов (TDK).
• Датчики для схем защиты двигателей (EPCOS).
• Датчики давления (EPCOS). Более двадцати серий компонентов, в том числе с цифровым интерфейсом, выполненных в виде кристаллов, в корпусах для монтажа на поверхность и стальных корпусах. Диапазон измеряемых давлений — 16–25 000 мбар.
• Ультразвуковые распылители (TDK).
• Датчики уровня (EPCOS). Три серии компонентов для схем измерения и ограничения уровня жидкости, выполненных на основе термисторов с положительным температурным коэффициентом.

Наибольшее число продуктов рассматриваемой категории составляют датчики температуры (TDK, EPCOS) и давления (EPCOS).

NTC-термисторы

Значительное число типов датчиков температуры TDK-EPC выполнено на основе терморезисторов с отрицательным (NTC) температурным коэффициентом. NTC-термисторы являются необходимыми компонентами в схемах температурной компенсации и используются в качестве датчиков температуры в бытовых приборах, например в кондиционерах, холодильниках, электрических плитах. Наиболее широкое распространение получили NTC-термисторы в исполнениях для поверхностного монтажа (NTC-чипы). Вначале такие чипы применялись в схемах температурной компенсации портативных ЖК-мониторов и телевизоров, а затем их стали включать в схемы автоматической фокусировки видеокамер и мобильных гаджетов, например в карманных персональных компьютерах (Personal Digital Assistants, PDA). Наиболее ходовыми типоразмерами чипов в мобильных устройствах стали 0603 (0,6×0,3 мм), 1005 (1×0,5 мм) и 1608 (1,6×0,8 мм). NTC-чипы также применяются в схемах температурной компенсации кварцевых генераторов, ВЧ-модулей и для контроля температуры литиевых и никель-водородных аккумуляторов.

Термисторы обычного типа, состоящие из терморезиста и выводов, не в состоянии обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики при миниатюрных размерах, что объясняется физическими ограничениями, связанными с малыми размерами чипов. Для разрешения проблемы корпорация разработала многослойные чипы, изготавливаемые методом ламинирования. Многослойная структура (рис. 2) чипов с чередующимися слоями внутренних электродов позволила существенно улучшить технические параметры термисторов, увеличить диапазон сопротивлений и одновременно уменьшить размеры чипа.

Рис. 2. Структура многослойных термисторов

Термисторы отличаются следующими основными параметрами:

• Температурная характеристика, определяемая выражением:

     R = R_c exp{B/T},

     где В — коэффициент температурной чувствительности, R_c — постоянная, зависящая от материала и размеров термистора.

• Номинальное сопротивление R_n  при Т = +25 °C.
• Коэффициент температурной чувствительности (постоянная В), который зависит от свойств материала и практически постоянен для конкретного термистора.
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), определяемый выражением:

     ТКС = (1/R)×(dR/dT) = –B/T².

• Максимальная допустимая температура термистора — температура, при которой еще не происходит необратимых изменений параметров прибора.
• Постоянная времени — время, в течение которого температура термистора уменьшается в несколько раз по отношению к разности температур термистора и окружающей среды [2].

NTC-термисторы TDK-EPC являются полупроводниками, состоящими в основном из оксидов переходных металлов, таких как марганец, никель, кобальт и медь, спекаемых при температуре +1200…1500 °C. Применение собственных технологий позволило корпорации создать термисторы как с низким удельным сопротивлением и высоким значением постоянной В, так и с высоким удельным сопротивлением и низким значением В. В схемах термокомпенсации кварцевых генераторов (TXCO) сопротивление термисторов должно быть низким (30–150 Ом), а постоянная В — высокой (порядка 2750 К) [3].

Использование миниатюрных чип-термисторов в электронных и электронно-механических наручных часах ведущих производителей (Casio, Seiko, Orient) позволило добиться очень высокой стабильности кварцевых генераторов и низкой погрешности хода в несколько секунд в течение многих месяцев, а то и лет.

В ассортименте продукции корпорации имеются также NTC чип-термисторы, предназначенные для схем контроля температуры, встроенных в высокопроизводительные аккумуляторы для мобильных устройств. Большинство аккумуляторов можно безопасно заряжать при их температуре от 0 до +60 °C. Точность определения температуры, особенно нижнего значения, является жизненно необходимой мерой, так как зарядка «замороженных» аккумуляторов очень опасна. К термисторам, предназначенным для этой цели, предъявляются более высокие требования по точности, чем для компонентов общего назначения. Допуск на отклонение номинального сопротивления и постоянной В для таких термисторов не должен превышать ±1%. Такие значения допуска реализованы в термисторах на чипе/кристалле TDK-EPC типоразмеров 1608 и 1005, эти компоненты также имеют меньший разброс температурных характеристик, что достигнуто введением специальных добавок в материалы, из которых изготовлены термисторы [4].

В ассортименте TDK-ЕРС представлено множество серий NTC-термисторов с проволочными выводами, в корпусах с покрытием из стекла и смолы, заключенных в конструкции датчиков температуры для жестких условий эксплуатации [5]. Рассмотрим некоторые области применения NTC-термисторов, приобретающих популярность в последнее время.

NTC-термисторы для бытовых приложений

Внешний вид некоторых типов NTC-термисторов, предназначенных для различных бытовых приборов, приведен на рис. 3.

Рис. 3. Термисторы для бытовых применений

Такие компоненты широко используются в стиральных машинах, сушилках и фенах, посудомоечных машинах, холодильниках и морозильных камерах, микроволновых и духовых печах, в мелкой бытовой технике (кофеварки, чайники и т. п.). Датчики температуры также являются неотъемлемой частью систем отопления, кондиционирования и вентиляции помещений. В последние годы корпорация разработала несколько типов датчиков для бытовых приложений, отличающихся высокой точностью измерений и долговременной стабильностью параметров. Дизайн-центры корпорации EPCOS, расположенные в Берлине (Германия), Дойчландсберге (Австрия), Чжухае (КНР) и Батаме (Индонезия), сертифицированы по стандартам ISO 9001:2000, ISO/TS 16949:2002 и ISO14001:2004.

Рис. 4. Использование датчиков в стиральных машинах

Для использования в стиральных машинах и сушилках (рис. 4) компания предлагает следующие серии NTC-термисторов:

• Z509, K514, K524 — для датчиков температуры внутри барабана;
• K276, Z276, Z901, Z277 — для датчиков температуры воздуха;
• K504, K514, K1560, K560 — для датчиков температуры парогенераторов, используемых для разглаживания складок при стирке и сушке.

Серия К514

К514 (рис. 5а) — NTC-термистор, встроенный в корпус из нержавеющей стали с запрессованным кабелем, изготовленным из стекловолокнистой трубки с тефлоновой (PTFE) изоляцией. Диапазон рабочих температур — –10…+200 °C, максимальная допустимая температура кабеля — +200 °C.

Рис. 5. Термисторы серии: а) К514; б) К276

Датчик можно легко и быстро установить в контролируемые узлы. Выпускаются модели с различной длиной кабеля, несколькими типами температурных характеристик, различными соединителями и корпусами.

Основные параметры датчика:

• Сопротивление при температуре +25/100 °C — 4853/3300 Ом ±2,5%, В_25/100 = 3988 К ±1%.
  Температурная характеристика нормирована от –55 °C (R_T/R₂₅ = 96,33) до +300 °C (R_T/R₂₅ = 0,0013444).
• Тепловая постоянная времени τ_а в воде — 3 с.
• Фактор рассеяния δ_th в воздухе — 3 мВт/К.
• Сопротивление изоляции — 100 МОм.

Серия К276

К276 (рис. 5б) — NTC-термистор, герметично запрессованный в корпус из нержавеющей стали с соединителем типа RAST 2,5 (опционно — RAST 5). Соединители RAST (Raster Anschluss Steck Technik) применяются для жгутовых соединений в различных бытовых приборах. Датчики могут быть использованы в коррозийных средах (вода, мыльный раствор). Они сертифицированы по стандартам EN60539-1, DIN EN60730-1/VDE class 2, UL (file E69802) и отличаются высокой стабильностью при высоких эксплуатационных температурах.

Основные параметры датчиков:

• Диапазон рабочих температур — –10…+100 °C.
• Сопротивление при температуре +25/63 °C — 4829/1082 Ом ±2%, В_25/100 = 3980 К ±1,5%.
  Температурные характеристики (№ 2003/2901) нормированы от –55 °C (R_T/R₂₅ = 97,578/63,969) до +155 °C (R_T/R₂₅ = 0,016612/0,020231).
• Фактор рассеяния в воде — 20 мВт/К.
• Сопротивление изоляции — более 100 МОм.

Для применения в системах отопления (рис. 6а), вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях (рис. 6б) (Heating, Ventilation and Air-Conditioning, HVAC) корпорация предлагает несколько серий датчиков температуры на основе NTC-термисторов:

• T120, F120, Z81, K301, M834 — для систем отопления;
• К500, К501, К502, К505, К510, М500, М800 — для систем вентиляции и кондиционирования.

Рис. 6. Датчики в системах:
а) отопления;
б) кондиционирования

Рассмотрим особенности некоторых из этих датчиков:

• Т120 (рис. 7а) — NTC-термистор в медном корпусе, предназначенный для схем измерения температуры жидкостей в диапазоне 5…110 °C в трубопроводах диаметром 13,5/15/18/19/22 мм. Тепловая постоянная датчика относительно трубопровода — 5 с.
• Z81 (рис. 7б) — NTC-термистор в корпусе из материала CuZn36Pb2As/CZ132, устойчивом к потере латунью цинка (Dezincification-Resistant Brass Case, DZR case). Датчик предназначен для измерения температуры горячей воды, в том числе воды для хозяйственных нужд (Domestic Hot Water), в диапазоне 5…110 °C. Датчики этой серии отличаются малым значением тепловой постоянной в воде — не более 5 с.
• К500 (рис. 7в) — NTC-термистор с медным покрытием. Предназначен для измерения температуры в диапазоне –30…+100 °C в испарителях холодильных установок и систем кондиционирования. Датчик подключается двухпроводным кабелем AWG22/24/26 и кабелем с двойной изоляцией.

Рис. 7. Термисторы серии:
а) Т120;
б) Z81;
в) К500

Серии NTCGP, NTCDP и NTCRP

В 2013 году корпорация представила три серии многослойных термисторов — NTCGP, NTCDP и NTCRP (разработка TDK, спецификации — февраль 2013 г.). Они предназначены как для бытовых, так и для промышленных приложений. Благодаря малым размерам новые термисторы отличаются быстрой реакцией на изменение температуры.

Рис. 8. Термистор серии NTCGP:
а) в эпоксидном корпусе;
б) с винтовым креплением

Термисторы серии NTCGP выпускаются в двух исполнениях: с оболочкой из эпоксидной смолы (рис. 8а) и с креплением под винт (рис. 8б).

Основные особенности и параметры приборов с оболочкой из эпоксидной смолы/с креплением под винт:

• Номинальное сопротивление R₂₅ — 15/20/50 кОм ±3%/50 кОм ±3%. Возможны поставки приборов с R₂₅ в диапазоне 5–50 кОм.
• Постоянная В_25/50 — 3950 К ±3%/3950 К ±2% или в диапазоне 3400–4100 К.
• Диапазон рабочих температур — –20…+80/–40…+125 °C.
• Температурная постоянная τ_а — 6 с.
• Фактор рассеяния в воздухе δ_th — 2,8/3 мВт/°C.

Термисторы Resin DIP рекомендованы для применения в качестве датчиков температуры в помещениях для кондиционеров и обогревателей, датчиков температуры воды, датчиков температуры для холодильников, оболочек нагревателей. Приборы Lud Terminal, кроме того, можно использовать в качестве датчиков температуры инверторов солнечных батарей и подложек силовых приборов.

Термисторы серии NTCDP выпускаются в трех исполнениях: в эпоксидно-пластиковом корпусе диаметром 5,5 и 6 мм (исполнение 1), в эпоксидном корпусе с креплением под винт (исполнение 2, рис. 9) и в пластиковом корпусе (исполнение 3).

Рис.9. Термистор серии NTCDP

Основные параметры термисторов исполнений 1, 2/исполнения 3:

• Номинальное сопротивление R₂₅ — 10 кОм ±5%/R₃ — (5,6 ±0,2) кОм.
• Постоянная В_25/85 — 4000 К ±2%/В_3/50 — (3850 ±100) К.
• Диапазон рабочих температур — –40…+150/–40…+85 °C.
• Температурная постоянная τ_а — не более 15 с/не более 30 с.
• Фактор рассеяния в воздухе δ_th — 3,3/2,5 мВт/°C.

Термисторы исполнений 1 и 2 отличаются высокой надежностью, быстрой реакцией на изменение температуры и высокой рабочей температурой, а недорогие водонепроницаемые термисторы исполнения 3 совместимы с различными хладагентами. Основные области применения приборов этой серии: холодильные установки, стиральные машины и системы кондиционирования.

Термисторы серии NTCDP для масляных сред выпускаются в двух исполнениях: в пластиковом корпусе с креплением под винт (исполнение 1) и в пластиковом корпусе для датчиков температуры жидкостей для автоматической трансмиссии (исполнение 2, рис. 10).

Рис. 10. Термистор серии NTCDP для масляных сред

Основные параметры термисторов исполнения 1/исполнения 2:

• Номинальное сопротивление R₂₀ — 2,5 кОм ±3%/R₁₄₅ — 0,111 кОм ±2,5%.
• Постоянная В_20/80 — 3250 К ±2%/В_25/85 — 3528 К ±2%.
• Диапазон рабочих температур — –40…+165/–40…+150 °C.
• Температурная постоянная τ_а в масле — не более 60 с/не более 15 с.
• Фактор рассеяния δ_th — 5/3,5 мВт/°C.

Приборы этой серии предназначены для применения в качестве датчиков температуры масел и нефтепродуктов в двигателях, нагревателях и системах трансмиссии, в качестве датчиков температуры обмоток двигателей электро- и гибридных автомобилей (EV, HEV, PHEV), а также серводвигателей для различных промышленных приложений.

Широкую номенклатуру NTC-термис-торов также производит компания EPCOS. Классификационные параметры термисторов, представленных в каталоге TDK-EPC 2013 года, приведены в таблице [6].

Корпорация TDK-EPC выпускает ряд серий датчиков для быстро меняющегося рынка медицинских приложений, к которым предъявляются особо высокие требования по точности, надежности и длительности эксплуатации. Компания EPCOS для медицинских приложений выпускает пьезоэлектрические датчики давления и температуры на основе NTC-термисторов, в том числе преобразователи давления в ток или напряжение для анестезии и специальные накожные датчики температуры, используемые для длительного мониторинга и способные выдерживать до 100 циклов стерилизации при Т = +134 °C.

Эти датчики могут быть использованы в таких медицинских приложениях, как:

• респираторные аппараты;
• чистящее оборудование;
• клинические термометры;
• аппараты для диализа;
• эндоскопические приборы;
• глюкометры;
• инкубационные камеры;
• инфузионные насосы;
• системы мониторинга пациентов.

Медицинские приборы — это та сфера применения сенсорной продукции, непосредственно для которой разрабатывались датчики давления, выпускаемые фирмой EPCOS.

Датчики давления для медицинских приложений

Датчики давления и преобразователи «давление – ток/напряжение» выпускаются в виде кристаллов (серии С27–С29, С32, С33, С41), в корпусах для монтажа на поверхность (серия ASB), в виде законченных узлов (серии CAU-T, АС-Т) и предназначены для различных сфер применения.

Серия Т5400

Т5400 (рис. 11) — цифровой барометрический датчик давления (сентябрь 2012 г.), предназначенный для применения в барометрах систем прогноза погоды, альтиметрах, навигационных приемниках, мобильных телефонах, жестких дисках, беспроводных сенсорных сетях, вариометрах для индикации скорости в вертикальной плоскости. Прибор базируется на разработанной компанией пьезорезистивной МЭМС-технологии, обеспечивающей высокую точность и длительную стабильность измерений. После калибровки (программирования памяти микропроцессора) датчик по запросу выдает данные об измеряемом давлении или температуре (в диапазоне 0…+70 °C).

Рис. 11. Датчик серии Т5400

Основные особенности и параметры прибора:

• Размеры корпуса для монтажа на поверхность — 2,78×2,23×0,67 мм.
• Диапазон измеряемых давлений — 300–1100 гПа, абсолютная точность измерения — –2/+4 гПа, разрешение — 2,9 Па.
• Напряжение питания — 1,7–3,6 В.
• Малое потребление тока — 3, 790, 500 мкА в зависимости от режима.
• Отверстия для доступа измеряемой среды датчика на нижней стороне корпуса.
• Диапазон рабочих температур — –30…+85 °C.
• Малая чувствительность к пульсациям напряжения питания.
• Интерфейсы — I²C (3,4 МГц), SPI (20 МГц).
• Внутренний тактовый генератор.
• 16‑разрядный АЦП.

Серия ASB

В серию ASB входят барометрические преобразователи давления в напряжение, выпускаемые на основе пьезорезистивных кремниевых МЭМС-сенсоров в чистых комнатах EPCOS. Приборы этой серии обеспечивают компенсацию нелинейности характеристик преобразования и температурных погрешностей путем прецизионной калибровки выходного сигнала. Они не чувствительны к электромагнитным излучениям.

Основные особенности приборов серии ASB:

• Допустимые среды: воздух и неагрессивные газы (влажность — 0–100% RH). Возможно применение для приложений со степенью защиты IP54 (недопустим контакт со средами, вступающими в реакцию со стеклом, кремнием, нержавеющей сталью, керамикой, алюминием, силиконом).
• Выходное напряжение пропорционально давлению в пределах 0–1 В.
• Диапазон рабочих температур — –40…+85 °C.
• Диапазон измеряемых давлений — 0,2–1,2 бар.
• Напряжение питания — 2,7–5,5 В (ток потребления — не более 5 мА).

Серия АК2

Серия АК2 (рис. 12) — это преобразователи избыточного давления. Они выполнены в металлопластиковых корпусах с механической развязкой. В состав серии входят десять видов преобразователей с различными диапазонами измерения давления и чувствительностью.

Рис. 12. Датчик давления серии АК2

Основные особенности приборов:

• Допустимые среды — воздух, неагрессивные газы и жидкости.
• Измерительный мост с выходным напряжением, пропорциональным давлению.
• Максимальное измеряемое давление — от 0,025 бар (исполнение С41) до 25 бар (С28).
• Чувствительность — от 1000 мВ/бар (С41) до 4,8 мВ/бар (С28).
• Нелинейность передаточных характеристик — от ±1% (С41) до ±0,25% (С28).

Заключение

Этот обзор датчиков давления и температуры рассчитан на знакомство с ними целевой аудитории — разработчиков и сопровождается всей необходимой информацией для принятия первоначального решения о выборе компонента (подходит/не подходит). Дополнительную информацию, в том числе по применениям, можно получить на сайтах обеих компаний, входящих в корпорацию, в том числе — непосредственно со страниц, приведенных в списке литературы