UNIVERZITET U BEOGRADU ANALIZA OSNOVNIH KARAKTERISTIKA TRODIMENZIONALNOG ANEMOMETRA SASTAVLJENOG OD DEBELOSLOJNIH SEGMENTIRANIH TERMISTORA

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...42 Eksperimentalni 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 km 2 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 2

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 Ag 2 S, 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 Fe 3 O 4, U 2 O, NiO, CoO i na kraju Mn 3 O 4 i sistema NiO-Mn 2 O 3. 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 3

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/cm 3 ) Spec. toplota, C p ( J/g) Toplotna provodnost, κ (J/scmK) Faktor temp. promene otpornosti materijala TCRx10 6 (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 2+ 3+ kristalnu rešetku tipa spinela A B2 O4 (dobili su ime po mineralu magnezijum aluminatu, spinelu, MgAl2O 4 ). 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 B 2 O 3 (Mn 2 O 3, Fe 2 O 3 ). Na taj način nastaju spineli FeO Fe 2 O 3 = Fe 3 O 4 magnetit, MnO Mn 2 O 3 = Mn 3 O 4 hausmanit, FeO Mn 2 O 3 = FeMn 2 O 4 gvožđe-manganit i MnO Fe 2 O 3 = MnFe 2 O 4 manganferit, koji se nalaze i u prirodi. Složeniji spineli su kombinacije dva spinela tj. njihovi čvrsti rastvori. Čvrsti 2+ 2+ 3+ rastvor Fe 3 O 4 i MnFe 2 O 4 ima sledeći raspored jona u spinelu Mn Fe Fe O, gde se težinski udeo x može menjati od 0 do 1. Spineli tipa MgAl2O 4 i ZnFe 2 O 4 su spineli normalnog tipa koji imaju raspored atoma u rešetki Mg(Al 2 )O 4 i Zn(Fe 2 )O 4, dok spinel NiFe 2 O 4 ima raspored Fe(NiFe)O 4 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: MnFe 2 O 4 i MgFe 2 O 4 koji u stvari imaju raspored 2+ 3+ 2+ 3+ 2+ 3+ 2+ 3+ jona Mn 0.8Fe 0.2 (Mn 0.2Fe1.8 )O 4, odnosno kao Mg 0.1 Fe 0.9 (Mg 0.9Fe1.1)O 4. 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 x 1-x 2 4 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 4

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 Mn 2 O 3, Fe 2 O 3, 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 CO 2 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 Al 2 O 3 podlogama. Pasta, osim praha NTC termistorskog materijala sadrži još i vezivno staklo tipa B 2 O 3 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 5

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 Fe 2+ - Fe 3+ ili Mn 3+ - Mn 4+. U Ni-manganitima, električna provodnost se objašnjava elektronskim skokovima između Mn 3+ i Mn 4+ 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 Fe 3 O 4, koja je mnogo veća nego kod Mn 3 O 4 i Co 3 O 4. Fe 3 O 4 je inverzan spinel, on na A poziciji ima Fe 3+ a na B poziciji Fe 2+ Fe 3+, te preostaje neutralni kiseonik O 4. Pošto na B poziciji na dva kristalografski ista mesta postoje Fe 2+ i Fe 3+ 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 σ 0 provodnost na beskonačno visokoj temperaturi, kad se svi elektroni koji mogu da prelaze pobude na prelaz onda se provodnost može dati sledećim izrazom ΔE kt 0e 2 σ = σ. (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 Mn 3 O 4 ima raspored jona u spinelu Mn 2+ (Mn 3+ Mn 3+ )O 4, 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 Ni 2+. Da bi se očuvala elektroneutralnost deo Mn 3+ mora preći u Mn 4+, pa B pozicija u spinelu dobija sledeći raspored jona: 2+ 4+ 3+ 3+ ( Nix Mn Mn Mn ). Prelazi elektrona tada se odvijaju između Mn 3+ i Mn 4+, a x x 1-2x Magistarska teza Aleksandar Menićanin 6

NTC termistori ne učestvuje u razmeni elektrona. Tako se sadržajem Ni x [%] podešava provodnost, mada ne dospevaju svi Ni u B poziciju, jer neki zaostanu i na A poziciji. Zato NiMn 2 O 4 dobija sledeći raspored jona u spinelu Mn x Ni 1-x (Mn 2-x Ni x )O 4, 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 O 2 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. Ni 2+ 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 B odstupanje od jednačine R = Aexp( ), tako da je osnovna jednačina koja realno T aproksimira otpornost NTC termistora data sa B C D R T = A( + + +.... (2.2) 2 3 T T T Slika 2.2. Promena specifične otpornosti sa recipročnom vrednosti temperature 1/T za različite sastave materijala Ni manganita sa 1-6% Cu.[8]. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 7

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) dh dt dh dh A = L +. (2.3) dt dt Magistarska teza Aleksandar Menićanin 8

NTC termistori Brzina promene toplote koja se dodaje termistoru u električno kolo je jednaka snazi koja se oslobađa na termistoru dh dt = P = I 2 R = EI. (2.4) Brzina promene kojom se toplotna energija gubi u okolinu je proporcionalna povećanju temperature termistora dh dt L ( T TA = δ ΔT = δ ), (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 dh dt dt A = sm = C, (2.6) dt dt dt 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 dh dt = P = 2 I R = EI = δ ( T T ) A + C dt dt. (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 ΔT = P δ ( T T ) = exp t A 1. (2.8) δ C 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 9

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 ( T TA ) = δδt = P = ET IT δ, (2.9) gde je: (E T ) jednosmerni napon napajanja termistora a (I T ) 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 dt dt = δ ( T TA ). (2.10) C Jednačina (2.10) predstavlja matematički izraz Njutnovog zakona hlađenja i ima sledeće rešenje T t = TA + ( TI TA ) exp, (2.11) τ gde je: (T I ) početna temperatura termistora, (T A ) 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 10

NTC termistori τ Temperatura T 1 63,2 % T 0 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 ( t ) dr = R R, (2.12) 0 = R0 ln t0 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 11

NTC termistori gde su R 0 i t 0 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 12

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 NiMn 2 O 4 Mn 3 O 4 sa sličnim sastavima mogu biti iskorišćene praktično u proizvodnji termistora pridajući veći značaj stabilnijem čistom NiMn 2 O 4 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 13

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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 14

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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 15

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 Bi 2 Ru 2 O 7 RuO 2, TiO 2 Pb 2 Ru 2 O 6 CaNa(Nb,Ti) 2 O 6 (F,OH) BaTiO 3 Stakla Oksidi Al 2 O 3 /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: Al 2 O 3, BeO, AlN, s tim da se u najvećem broju slučajeva koristi Al 2 O 3. Osnovna svojstva keramičkih podloga za debeloslojna kola navedena su u tabeli 2.6. Tabela 2.6. Osnovna svojstva keramičkih podloga. Materijal Dimenzije 85% 96% 99.5% 99.5% Osobina Al 2 O 3 Al 2 O 3 Al 2 O 3 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 20 200 C 6.2 7.7 6.7 5.8 širenja 20 600 C 7.0 8.0 7.6 8.1 10 6 20 1000 C 7.6 8.4 8.2 9.4 Koeficijent toplotne J/cm s C 0.146 0.251 0.322 2.386 provodlj. na 25 C Zapreminska specifična otpornost na 25 C Ω cm 10 14 >10 14 >10 14 >10 14 Temperatura na kojoj je zapreminska specifična otpornost=10 6 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 16

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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 17

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 d S disk a) presek termistora i pogled odozgo l w 3 1 d 2 pravougaoni b) presek termistora i pogled odozgo 3 d 2 S 1 l w sendvič c) presek termistora i pogled odozgo Magistarska teza Aleksandar Menićanin 18

NTC termistori 2 S 3 d 1 l višeslojni d) presek termistora i pogled odozgo 3 2 1 l w d češljasti e) presek termistora i pogled odozgo 3 d 3l 2 1 w 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] Magistarska teza Aleksandar Menićanin 19

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 Pravougaoni Sendvič Višeslojni Češljasti Segmentirani S R = ρv d l R = ρv wd d R = ρv, S = lw S 2nd R = ρv, S = lw S w R = ρ v 2ndl 2nd R = ρv lw 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 20

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, Mn 3 O 4, Co 3 O 4, Cu 2 O 3 i Fe 2 O 3 [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 Ni 1-x Mn 2+x O 4, (x predstavlja odstupanje od stehiometrijskog odnosa NiO:Mn 2 O 3 ). 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 U U U A = RS, U B = Rm (2.13) R + R R + R 1 S 2 m U AB = U A U B Rs = U( R + R s 1 Rm R + R 2 m ) (2.14) Magistarska teza Aleksandar Menićanin 21

NTC termistori U R 1 R 2 A B 0.00034 501 multimetar R S R m Slika 2.7. Slepi i aktivni NTC termistor u Witstonovom mostu za (diferencijalno) merenje temperature, protoka fluida ; R S slepi termistor, R m merni termistor. R c R k R k R c R RNTC R R NTC T Slika 2.8. Temperaturna kompenzacija R c pomoću R u paraleli sa R NTC, R k 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 (V 1 max i V 2 min) može da se menja promenom otpornika R S (slika 2.9). R s VB V VB RNTC V 1 V 2 k 2 k 1 VB/RS I Slika 2.9. Termistorski nivometar za merenje nivoa tečnosti ili protoka fluida, V 1 i V 2 radni naponi na termistoru prilikom regulacije nivoa ili protoka, k 1 i k 2 krive zavisnosti napona od struje termistora. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 22

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. I 1 -I g R 1 R g R I 1 I 2 +I g I 2 R 2 I g R 3 V b Slika 2.10. Vitstonov (Wheatstone) most za merenje temperature. Struju I g koja prolazi kroz mernu granu u kojoj se nalazi indikator promene možemo izraziti u funkciji vrednosti otpornika linearne mreže na sledeći način I g = R V ( R R R R) b 1 3 2 ( R R + R R + R R + R R + R R ) + R ( R R + R R + R R ) 1 2 1 3 2 3 2 g 3 g 1 2 3 2 g 3 g, (2.15) odnosno u obliku I g ( l mr) Vb =, (2.16) pr + q 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 23

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, di g /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. R a R a A-Y A Y G -t R b 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 (R 6 i R 8 ) i otočnih otpornika (R 5 i R 7 ) sa dva detektora promene, termistora (R 1 i R 4 ), 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 24

NTC termistori R 5 R 6 R 1 R 2 R 8 R 4 R 3 E R 7 R 9 R 10 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 10 7 cmhz -1/2 W -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). Magistarska teza Aleksandar Menićanin 25

NTC termistori R R 0.00034 501 C C multimetar S R NTC m R NTC s m elektrode kvarcno staklo 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) R c, termistor koji je redno povezan sa primenjenim naponom V n. 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. NTC V n P R c I R p Slika 2.14a Šema kola za kašnjenje; R c -redni termistor, R p -potrošač, I-struja uključenja, P-prekidač. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 26

Modelovanje NTC termistora 30 25 20 15 10 5 0 I [A] 0 10 20 30 40 I1 I2 t [s] 50 Slika 2.14.b. Potiskivanje impulsa i kašnjenje uključenja. Struja uključenja I 1 bez NTC termistora i struja uključenja I 2 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 ( B T ) R = A exp /, (3.1) gde je B konstanta materijala, a A = R 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, ln( R1 / R2 ) ( 1/ T 1/ T ) B =. (3.2) 1 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] 1 T =, (3.3) a + b ln R + c ln R ( ) 3 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 27

Modelovanje NTC termistora gde su a, b i c 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. 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 Al 2 O 3. 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. R 25 d S S R = ρ d Slika 3.1. Planarni NTC disk termistor: poprečni presek i pogled odozgo. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 28

Modelovanje NTC termistora Sa izraza na slici 3.1 se vidi da je S površina NTC sloja ( S = r 2 π, 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 B T ( d ) R( l, w, d n) e f () t R = ρ,, (3.4) gde su ρ - specifična otpornost, d - debljina termistorskog sloja, l - dužina, w - širina, n - broj gornjih elektroda, B - NTC faktor, T - temperatura i t - vreme. 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 29

Modelovanje NTC termistora 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 2 ( ) ( d / d0 ) ( d ) = ρ 1 e Vrednost ρ se menja značajno u opsegu od (, ) menja sa d na sledeći način ρ. (3.5) bulk d = 0, ρ = 0; d >>, ρ = ρ ; 0 d u zavisnosti od d. Vrednost ρ se 0 d 0 bulk ( 1 1 e) d = d, ρ = ρbulk /. 0 ρ bulk 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 S kondenzatora C = ε 0 ε r gde se vidi da karakteristiku materijala predstavlja član d S ε 0 ε r a član geometrijske parametre debeloslojnog disk termistora. Otpornost je d S data kao R = ρ gde se jasno vide članovi koji predstavljaju karakteristike d 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. IN R C OUT Slika 3.2. Električni model disk termistora. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 30

Modelovanje NTC 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). IN R Rp R R Rp C C Rp 1 2 3 C R Rp R R OUT Rp n-2 C Slika 3.3. Ekvivalentno električno kolu NTC debeloslojnog segmentiranog termistora n-1 sa raspoređenim R/C parametrima po segmentima, C između elektroda u ravni. Rp n C - parazitna otpornost R p 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 31

Modelovanje NTC termistora magnetnog polja nepoznati. Koriste se za projektovanje kola u širokom opsegu radiofrekventnih (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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 32

Modelovanje NTC termistora 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 I N ( z) = I f ( z) i= 1 i i, (3.6) gde su: f i I i funkcija koja aproksimira ponašanje struje duž i-tog segmenta; nepoznati koficijent. 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 ε r, zapreminska provodnost provodnost σ v, 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]. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 33

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 V V ( x, y, z, t ) = u( x, y, z, t ) i + v( x, y, z, t ) j + w( x, y, z, t )k, (4.1) dx u ( x, y,z,t ) =, (4.2) dt dy v ( x, y,z,t ) =, (4.3) dt dz w ( x, y,z,t ) =, (4.4) dt 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 34

Merenje brzine vetra 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 35

Merenje brzine vetra S 4 3 2 N 1 5 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 36

Merenje brzine vetra 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 37

Merenje brzine vetra anemometri se koriste u aplikacijama kao što su male merne stanice za određivanje vremenske prognoze, kod navigacije brodova, vetro generatora i u avijaciji. S vetar iz SSI Y Z X I Slika 4.4. Ultrazvučni anemometar. J Slika 4.5. Princip rada ultrazvučnog anemometra. 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 38

Merenje brzine vetra 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 a) b) provodnik 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 39

Merenje brzine vetra Pomoću otvora 1 meri se statički pritisak, jer je na njemu ν = 0. Pomoću otvora 2 dobija se dinamički pritisak p 2, pošto je tu brzina jednaka stvarnoj brzini fluida. Primenom Bernulijeve jednačine za razliku pritiska Δ p = p 1 p2 dobija se 2 ν ρ Δp =. (4.5) 2 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. 2 otvor za merenje dinamičkog pritiska v 1 2 tačka stagnacije (v=0) za merenje statičkog pritiska p 2 p 1 merač diferencijalnog pritiska Sl. 4.7. Pitoova cev. u i =kδp=k 2 v 2 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 40

Merenje brzine vetra 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 41

Merenje brzine 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 42

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 R T. Debeli slojevi se dobijaju štampanjem paste u koju se uz NTC prah u noseću smolu dodaje vezivno staklo B2O 3 da bi se obezbedilo prijanjanje debelog sloja za podlogu od alumine (Al 2 O 3 ). 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% B 2 O 3. 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, Magistarska teza Aleksandar Menićanin 43

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 L 1 -L 3 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 Magistarska teza Aleksandar Menićanin 44

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, L 1 -L 3 -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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 45

3D anemometar sa segmentiranim NTC termistorima 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 0 C / 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 Slika 6.2. Tok DC struja kroz segmentirani termistor[30]. 2 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 46

3D anemometar sa segmentiranim NTC termistorima 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 ( ε = 8. 13 ), zapreminska provodnost ( σ = 0.0152S / m ) i r tangens gunitaka ( δ = 0. 001). Substrat alumine je debljine d = 630μm modelovan je parametrima ε = 9 i δ = 0. 006. Elektrode su modelovane kao savršen provodnik. r 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 47

3D anemometar sa segmentiranim NTC termistorima Slika 6.4. Struktura segmentiranog termistora kao model u MWO. 1400 ZIN (f) 1200 1000 ZIN [Ohm] ZIN meas. ZIN MWO geom. 800 600 400 200 f [MHz] 0 0.1 1 10 100 1000 10000 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. Magistarska teza Aleksandar Menićanin 48