Bir termistör standart dirençlerden farklı olarak direnci dolayısıyla iletkenliği sıcaklıkla beraber değişen bir tür direnç olarak tanımlanır ve ısıl direnç olarak da adlandırılmaktadır [1]. Söz konusu bu termistör kelimesi İngilizce dilindeki termal (thermal) ve direnç (resistor) kelimelerinin birleşiminden ileri gelmektedir. Yarıiletken malzemelerden yapılan termistörler genellikle ani boşalan akım engelleyici, sıcaklık sensörü, aşırı akım koruyucularında resetleyici ve kendi kendini düzenleyen ısıtıcı elemanı olarak kullanılır.
İki farklı türde termistör vardır, pozitif sıcaklık katsayılı termistörler ve negatif sıcaklık katsayılı termistörler. Pozitif sıcaklık katsayılı termistörlerde direnç sıcaklıkla doğru orantılı artarken bu yazının konusu oluşturan negatif sıcaklık katsayılı termistörlerin dirençleri artan sıcaklıkla beraber üstel (eksponansiyel) olarak azalır. İlk kez negatif sıcaklık katsayılı termistörün (NTC) üretilip özelliklerinin rapor edilmesinden bu yana yaklaşık 100 yıl geçmiştir. İlk negatif sıcaklık katsayılı termistörün üretimi tartışmalı bir konudur çünkü genel olarak düşük stabiliteden ve tekrar üretilemediğinden şikâyet ediliyordu. Negatif sıcaklık katsayılı termistörlerin seri üretimini göz önüne almadan önce safsızlık (empürite) ve katkıların etkisini, ısıl işlemin elektriksel özellikteki etkisini ve yarıiletkenliğini anlayabilmek için çok büyük miktarda Ar-Ge çalışması gerekmekteydi [2].
Genel olarak üretildiği yöntemlere bağlı olarak NTC termistörler üç ana büyük grup içerisinde sınıflandırılabilirler. Birinci grup küre-tipi termistörlerden oluşur. Küreler yalın olabilir ya da aşağıdaki fotoğrafta olduğu gibi cam epoksi ile kaplı olabilir ya da metal ile kapsül haline getirilebilir.
Seramik gövdeye sinterlenmiş bu boncukların hepsi platin alaşımlı kurşun tellere sahiptir. Uygun bir bağlayıcı ile karışım yapılmış metal oksitlerin küçük bir parçası kurşun tellerin üzerine hafif bir gerilim altında, paralel olacak şekilde yer alır. Karışım kurumaya bırakıldığında ya da kısmen sinterlendiğinde, boncuğun teli destekleyen sabitleyiciden boru biçimindeki ocağa son sinterleme işlemi için taşınır. Metal oksit pişirme prosesi boyunca kurşun tellerin üzerine büzülür ve sıkı elektriksel bağlarla şekillenir. Daha sonra, boncuklar tellerden tek tek kesilir ve uygun bir kaplamaya verilir.
Diğer bir çeşit olan termistör ise kurşun teller için yüzey temaslı çip termistörlerdir. Genellikle bu çipler şerit döküm tarafından sonrasında gelen serigrafi, spreyleme, boyama ya da metal kaplama yüzey elektrotları ile üretilir. Çipler genellikle istenilen geometride kesilir. Eğer istenirse, çipler gerekli toleransların sağlanılabilmesi için iyileştirilir.
Üçüncü tip termistör yarı iletken malzemelerin cam, alümina, silikon ve benzeri uygun substratlara depolanması yoluyla üretilir. Bu termistörler entegre edilmiş sensörler ve özel sınıf olan termal kızılötesi dedektörler için tercih edilebilir [3].
Mangan (Mn), kobalt (Co), nikel (Ni) ve demir (Fe) negatif sıcaklık katsayılı termistörler için yaygınca kullanılan geçiş metalleridir. Bu tip oksit yapıları genellikle AB2O4 genel formülüyle gösterilen spinel tip kristal yapısı göstermektedir. Spinel yapıda, oksit iyonları kübik yapıda sıkı paketletlenmiştir ve katyonlar tetrahedral (A) ve oktahedral (B) sitelerine yerleşmiştir. Spinel oksitin elektrik iletkenliği genellikle ”hopping mekanizması” ile açıklanır.
log(p)-1/T grafiklerinin eğimi iletkenlik için gerekli aktivasyon enerjisini vermektedir.[5]
Arrhenius eşitliği ile p (özdirenç) ifade edilebilir;
(1)
po= sonsuz sıcaklıkta metalin özdirenci
B= sıcaklık hassasiyetinin kat sayısı
T= mutlak sıcaklık
B katsayısı ise aşağıdaki eşitlik uyarınca bulunur;
B=q/k (2)
q= Elektrik iletkenliği için gerekli aktivasyon enerjisi
k= Boltzman sabiti.[6]
Negatif sıcaklık katsayılı termistörlerin özelliklerini belirleyen iki parametre vardır; ρ25oC, 25oC’deki spesifik özdirenç, B sabiti (=Ea/kT) verilen sıcaklık aralığında aletin ölçüm hassasiyetini veren termal sabittir. Bir başka deyişle, iletkenlik-1/T arasında çizilen eğrinin eğimi B sabitidir ve bazen sıcaklık hassasiyet katsayısı olarak adlandırılır ve aşağıdaki denklem ile hesaplanır;
(3)
R1, T1 sıcaklığında ölçülen direnç, R2 ise T2 sıcaklığında ölçülen dirençtir [7].
Günümüze baktığımızda, NTC termistörlerin bulaşık makinesi, buzdolabı, elektrikli ocaklar, saç kurutma makinesi, kahve makinesi, kettle gibi birçok ev aletinde kullanıldığını görüyoruz. Ayrıca yangın alarmı gibi bina otomasyon kontrollerinde de kullanılır. NTC termistörlerin tıbbi uygulamalarda da giderek artan bir kullanımı söz konusudur. Örneğin, hemodiyaliz sırasında kan hastadan çıkar, yapay olarak süzülür ve daha sonra hastaya geri gönderilir. Bu süreçte, NTC termistörler, kanın vücuda geri dönmeden vücut sıcaklığında olup olmadığına emin olmamızı sağlar. Son yıllarda ise NTC bazlı termometreler geliştirilmektedir. Bu termometreler genel anestezi ve benzeri uygulamalarda hastanın vücut sıcaklığını ölçmek için kullanılır. Ayrıca kuluçkadaki bebeklerin vücut sıcaklığının ölçülmesi de bu yolla mümkündür.
Sürücülerin güvenliği ve rahatı açısından NTC termistörlerin otomotiv sektöründeki kullanımına olan eğilim son yıllarda artmış olup bu olay daha karmaşık sistemlerin oluşmasına neden olmuştur. NTC termistörlerin otomobillerdeki en yaygın kullanım alanlarını sayacak olursak; soğutma yağı ve suyunun sıcaklığını ölçmek, egzoz gazının sıcaklığını gösterme, frenleme sistemini ve klima sistemini kontrol etmede kullanılır [2].
NTC termistör, trafo ve motor gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere de yerleştirilir. Ayrıca bu termistörler, bir su deposunda seviye kontrolü için yerleştirilebilir. Bu durumda, NTC direnci su seviyesi düştüğü zaman ısınır ve pompayı çalıştırır [8].
Ceyda Yeşilay
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Linkedin
Referanslar:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor
[2]Feitra A., 2009, Negative Temperature Coefficient Resistance (NTCR) Ceramic Thermistors: An Industrial Perspective, The American Seramic Society, 92
[3]Fraden J., 2004, Handbook of Modern Sensors Physics, Desings and Applications, Third Edition, Springer-Verlag, USA New York ISBN 0-387-00750-4
[4]Foren A., 2014, How Does A NTC Thermistor Work, http://www.slideshare.net/akevedoff/how-does-an-ntc-thermistor-work-41635130?qid=19cc67bc-513b-4cb5-b501-df23a318c95a&v=&b=&from_search=1,
[5]Park J., 2015, Microstructural and electrical properties of Y0.2Al0.1Mn0.27-xFe0.16Ni0.27-x(Cr2x)Oy for NTC thermistors, Ceramics International, 41, 6386–6390.
[6] Park K., 2005, Structural and electrical properties of FeMg0.7Cr0.6Co0.7−xAlxO4 (0≤x≤0.3) thick film NTC thermistors, Journal of the European Ceramic Society, 26, 912
[7]Park J., 2015, Microstructural and electrical properties of Y0.2Al0.1Mn0.27-xFe0.16Ni0.27-x(Cr2x)Oy for NTC thermistors, Ceramics International, 41, 6386–6390.
[8] Owen W. S., 1986, Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, Cambridge UK, ISBN 0-08-034720-7
Manşet görseli kaynak: wikipedia.