Wie gewährleisten Hochtemperatur-Thermistoren Stabilität bei extremer Hitze?

Zuverlässiger Betrieb über 300 °C hinaus mithilfe keramischer Verbundwerkstoffe und dotierter Metalloxide

Thermistoren für hohe Temperaturen verwenden spezielle keramische Verbundwerkstoffe (insbesondere dotierte Übergangsmetalloxide auf Basis von Mangan-Nickel-Kobalt-Systemen (MNC)), deren Struktur für einen zuverlässigen Betrieb über 300 Grad Celsius optimiert ist. Die gesamte Halbleiteraktivität ist auf eine bestimmte Kristallstruktur beschränkt, in der die ionische Bewegung nur eingeschränkt möglich ist. Überschüssige Seltenerdelemente in der Mischung stabilisieren die Zusammensetzung innerhalb des Thermistors und verbessern dadurch die thermische Empfindlichkeit. Hersteller von Thermistoren berichten, dass bei Verwendung der richtigen chemischen Zusammensetzung ihre Thermistoren über 5.000 thermische Zyklenprüfungen hinweg (gemäß ASTM-Normen) eine Widerstandsänderung von weniger als 0,5 % aufweisen. Die Verwendung von Kontrollblasenstabilisatoren aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid sowie das Sintern in einer sauerstoffreichen Umgebung tragen zur Erzielung der gewünschten Mikrostruktur bei. Diese Mikrostruktur ermöglicht es den Thermistoren, eine sehr geringe Neigung zum thermisch bedingten Rissbildung unter extremen thermischen Wechselbelastungen aufzuweisen.

Herausforderungen bei der Wärmeverschmelzung von Komponenten im Laufe der Zeit: Absinken der Kristalle  

Kristalline Abscheidung hat sich als problematisch erwiesen, wenn ein Feststoff über einen längeren Zeitraum hinweg auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird. Eine führende Gegenmaßnahme gegen dieses Problem ist als mehrschichtiges gemeinsames Sintern (Multilayer Co-firing) bekannt. Beim mehrschichtigen gemeinsamen Sintern werden zahlreiche Schichten von Thermistoren sowie Isoliermaterialien in einem einzigen Sinterzyklus (ca. 1.400 Grad Celsius) zu einer homogenen, monolithischen Einheit verschmolzen, die gezielt zur Reduzierung mechanischer Spannungen ausgelegt ist. Die neuesten Konstruktionen haben gezeigt, dass die innere mechanische Spannung (innerhalb der Einheit) auf weniger als 50 Prozent des typischen Wertes (mittlere Spannung) für Einheiten reduziert wird, die mittels herkömmlichem vertikalem Stapeln hergestellt wurden (Spannungsmessungen nach dem gemeinsamen Sintern erfolgten gemäß IEC 60539). Nach dem gemeinsamen Sintern wird das Bauteil einer hermetischen Aluminiumoxid-Umhüllung unterzogen, um eine vakuumdichte (Helium-dichte) Versiegelung zu erzielen. Prüfergebnisse zeigen eine Helium-Leckrate von < 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/s, wodurch das Eindringen von Gasen (Drift) in die Umhüllung bei Temperaturen oberhalb von 250 Grad Celsius verhindert wird. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Umhüllungsmaterials (Aluminiumoxid) und des Thermistormaterials sind eng angepasst (innerhalb von ± 1,5 ppm/°C), was dazu beiträgt, die Bewegung der Korngrenzen um mindestens 80 Prozent zu unterdrücken (nach einer langen Betriebszeit).

Diese Techniken bedeuten, dass Komponenten ihre Genauigkeit mit einer Drift von weniger als 2 % über 10.000 Stunden bei vollständiger Betriebstemperatur beibehalten können.

Thermische Stabilitätsleistung unter realen Belastungsbedingungen

Hochtemperatur-Thermistoren müssen nicht nur im Labor ihre Genauigkeit bewahren, sondern auch unter den kombinierten Belastungen durch thermisches Zyklieren, chemische Angriffe und mechanische Vibration in realen Einsatzszenarien.

Langzeitdrift-Kennwerte: Widerstandsänderung von weniger als 2 % nach 5.000 Stunden bei 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 legt die Zuverlässigkeitsstandards fest, die die meisten Unternehmen anstreben. Bei der Beschreibung der negativen Driftspezifikationen gilt ein Sensor als driftstabil, wenn er nach kontinuierlichem Betrieb von 5.000 Stunden bei 250 Grad Celsius eine Widerstandsdrift von weniger als 2 % aufweist. Um diese Spezifikationen zu validieren, führen Hersteller beschleunigte Alterungstests durch, die die Umgebungsbedingungen simulieren, unter denen das Gerät später betrieben wird. Zu diesen Tests gehören zahlreiche Klimakammern zur Simulation verschiedener Umgebungen (z. B. heiß und feucht) sowie der Betrieb des Geräts mit voller Leistung, um die Spezifikationen zu überschreiten. Außerdem wird die Betriebstemperatur des Geräts rasch zyklisch verändert (z. B. innerhalb von weniger als einer Minute auf 300 Grad erhöht). Um diese Ergebnisse zu erzielen, arbeiten die Hersteller mit Materialien, deren Kristallstruktur besonders stabil ist. Die Herstellung dieser Materialien erfordert eine gezielte Dotierung, eine sorgfältige Glühbehandlung zur Spannungsentlastung sowie eine präzise Einstellung der Mikrostruktur, um die gewünschten Endeigenschaften zu erreichen.

Kompromisse zwischen Reaktionszeit und Genauigkeit bei der thermischen Überwachung von Hochleistungs-Wechselrichtern

Die Auswahl eines geeigneten Thermistors für den Einsatz in Hochleistungs-Wandlern (> 200 Grad Celsius) erfordert Kompromisse hinsichtlich der Ansprechzeit im Vergleich zur Messgenauigkeit. Dickschichtsensoren bieten Ansprechzeiten von weniger als einer halben Sekunde – was durchaus gut ist –, weisen jedoch bei schnellen Lastwechseln eine Genauigkeitsdrift von etwa 1,5 Grad Celsius auf. Im Gegensatz dazu erreichen einige in Schutzbeschichtungen eingebettete Thermistorperlen trotz rascher Temperaturänderungen von über 50 Grad Celsius pro Sekunde eine Genauigkeit von 0,3 Grad Celsius; ihre Ansprechzeiten betragen jedoch mehr als drei Sekunden. Bei Schutzelementen in IGBTs sind die Folgen einer Messabweichung äußerst gravierend und können entweder zu einem unnötigen Systemabschaltvorgang oder umgekehrt zu einer Überhitzung und Zerstörung des Bauelements führen. Die meisten Ingenieure betrachten bei dieser Art von Systemdesign die Messgenauigkeit als kritischeren Parameter als die Reaktionszeit.

Anwendungen von Hochtemperatur-Thermistoren: Erfassung und Schutz

PTC-Übertemperaturabschaltungen für Motorwicklungen mit steilen Schaltpunkten (120 °C – 200 °C)

Für eine zunehmende Zahl von Industriemotoren werden PTC-Thermistoren als interne Schutzvorrichtungen für Industriemotorwicklungen unerlässlich. Diese Geräte sind klein und haben im Ruhezustand einen geringen Widerstand. Bei einer Schwellentemperatur (typischerweise zwischen 120 und 200 °C) erhöhen sie ihren Widerstand erheblich und unterbrechen den elektrischen Stromkreis, um weitere Temperaturerhöhungen zu verhindern und Schäden zu vermeiden. Sie sind so konstruiert, daß sie nicht mit jedem Temperaturanstieg ein- und ausgehen. Bei Servomotoren, die normalerweise bei 150°C betrieben werden können, sind die meisten PTC-Thermistoren, die zum Schutz verwendet werden, für Tausende von Heiz- und Kühlzyklen mit einer Genauigkeit von +/- 5% geeignet. Dies ist ein anerkanntes Kriterium für die Einhaltung der Norm IEC 60751-2. Sie sind aus robuster Keramik gefertigt, die es ihnen ermöglicht, schwierigen Umgebungen, in denen Vibrationen vorhanden sind, standzuhalten. Aufgrund dieser Eigenschaften können PTC-Thermistoren ohne zusätzliche Sensoren oder Steuerungssysteme einen zuverlässigen thermischen Schutz bieten.

Ausfallmechanismen und Minderungsstrategien für Hochtemperatur-Thermistoren

Hohe Temperaturen führen bei Thermistoren zu spezifischen Ausfallmechanismen. Dazu zählen wiederholte thermische Zyklen, die aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung zu mikroskopischen Rissen führen; temperaturbedingte Veränderungen der elektrischen Widerstandseigenschaften infolge beschleunigter Oxidation; Dichtungen, die durch Verunreinigungen versagen und zu Kalibrierungsabweichungen führen; sowie Ermüdung von Lötstellen – einer der Hauptgründe für elektromechanische Ausfälle infolge von Vibration.

Wir müssen mit den Materialien beginnen, um die Minderungsstrategien zu verbessern. Dazu zählen beispielsweise dotierte Keramiken, die die störende Umordnung der Kristallstrukturen verhindern können. Ebenso gibt es lasergeschweißte Metallgehäuse, die nahezu ideale Abdichtung gegen Umwelteinflüsse bieten. Ferner kommen Molybdändisilicid-Zwischenschichten zum Einsatz, die als Puffer zwischen unterschiedlichen Materialien wirken, die sich bei Temperaturänderungen mit unterschiedlichen Ausdehnungsraten ausdehnen. Zusätzlich zu anderen Maßnahmen wird das Bonden mit Gold-Draht gegenüber Aluminium bevorzugt, da Gold bei Temperaturen über +400 °C leistungsfähiger ist als Aluminium – jenseits dieser Temperatur versagen nämlich Gold, der Metalldraht oder andere Materialien. Die überlegenen modernen Lösungen beruhen jedoch nicht allein auf strukturellen Komponenten. So können Ingenieure beispielsweise Schäden bereits vor deren Ausbreitung durch eingebettete Widerstandsüberwachung erkennen. In diesen Fällen ist der prädiktive Charakter des Ansatzes ideal, da dies in Anwendungen ohne Redundanzen von entscheidender Bedeutung ist.

Häufig gestellte Fragen  

Aus welchen Materialien bestehen Hochtemperatur-Thermistoren?

Hochtemperatur-Thermistoren bestehen typischerweise aus Keramik, da sie aus dotierten Übergangsmetall-Oxid-Systemen hergestellt werden können, die auf Mangan, Nickel und Kobalt basieren und sich daher bei hohen Temperaturen durch eine geringere Ausfallrate auszeichnen.

Was versteht man unter Mehrschicht-Co-Firing im Zusammenhang mit Thermistoren?
Beim Mehrschicht-Co-Firing werden abwechselnd Schichten von Thermistoren und Isolationsschichten in einem einzigen Co-Firing-Prozess verschmolzen, um monolithische Strukturen zu erzeugen, die mechanische Spannungen besser aufnehmen können als konventionelle Verfahren.

Wie schützen PTC-Thermistoren Motorwicklungen?
PTC-Thermistoren bieten Selbstschutz, indem sie ihren Widerstand so stark erhöhen, dass der Stromkreis unterbrochen wird, um weitere Schäden zu verhindern.