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Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, Voi. 10, D.2, 1991.
EFEITO
EM TERMOPILHAS DE FILMES FINOS
DA TEMPERATURA
-
*
Joao Francisco
..Escobedo **
Gute mb erg PereLra DLas
Sergio Carlos Zilio***
*
Depto.
de Física
e Biofísica
- UNESp/Botucatu/SP
**Programa de Pós-Graduação - Energia na Agricultura
***Instituto
de Física e Química de .são Carlos/USP
RESUMO
da ordem de 5% na medida da radiação. Algumas marcas comerciaiscomo Eppley entre outras
minimizam este efeito instalandocircuito com
pensadoresde temperaturaa base
de termistores
ou dispositivossimilaresem seus radiômetros.
Desde 1987 estamos trabalhando no desenv01
vimento tecnológicoda termopi1hade filmes fi~
nos obtidos por evaporação de metais 13,41,
bem como nas suas aplicaçõesna radiometria.solar./S.6.7.8/. Alguns tipos de termopilhas pre
to/brancoe Full-Blackelaboradaspor este pro~
cesso mostraramcaracterísticasfuncionais
de
responsividadee constante de tempo similares
ou superiores as termopilhas importadas obti
das por outras técnicas de construção.
Os radiômetrostais como piranômetro,pi
reliômetro, radiômetro líquido, radiômetro ã
quático entre muitos outros, já testados em con
dições de campo, apresentaram funcionalidade
semelhante aos radiômetros solares que a Or
ganização Mundial de Meteorologiaclassificam
como de secundários e apropriados para operarem
rotineiramente
em estações
meteoro
inferior à 2% na medi-=:
lógicas, com erro
ção da radiação.
Em vista
dos resultados já obtidos com
as termopilhas de filmes finos e conside
rado a necessidade de se conhecer o com~
portamento deste trandutor em função
da
temperatura, ~bjetivou-se
neste trabalho
determinar o coeficiente de
temperatura
de várias termopilhas de filmes finos de
positados em substratosde mylar, kapton e acrí=
lico, que estão atualmente submetidas a testes
de rotina na medida da radiação.
Termopilhas de filmes finos obtidas
por evaporação de metais,
tipo Full-Black
contendo
30
termopares,
e tipos preto/branco,
estrela
e disco
concêntrico
de 36 termopares
foram elaboradas
em
substratos
de acrílico,
mylar e kapton 100 HN. As
de
resistências
elétricas
medidas ã 2SoC foram
~
10.88
R
. = 7.19 kQ, R 1
~ 7,8 k~, R
t
acrL
kil
e Rvnc
pilhas~oram
my ar
= 9.42
-
k~, respectivaIDente.
-
-kes
As
termo-
-
instaladas
em piranômetros
e submeti
o
daso a variaçoes
de temperatura
entre -10
.
-C dea
50 C. Os resultados
mostraram que a varLaçao
resistência em função da temperatura e linear ten
do declividade
positiva
para a termopilha
em acrí
para as termopilhas
com substratõ
lico e negativa
de kapton e mylar.
No acrílico
a resistência
va
riou de 6.74 k~ à 7.50 kO, no kapton de 11.22
kIT
à 10.66 kQ para a termclpilha estrela
e de 9.95 kO
a 9.05 kQ para a termopilha
disco-concêntrico,
en
quanto na mylar de 8.16 à 7.64 k~.
Os coeficien~
tes de temperatura
(erro devido a variação
de tem
peratura % I °C) calculados
à partir
dos
coefT
ciente angulares
das curvas experimentais
e das
resistências
elétricas
na temperatura.
ambiente
(250C) agresentaram
os seguintes
resultados:
0.09% I C para a termopilhaestrela em
kapton;
0.13% I °c para a termopilhaem mylar, 0,2% loc
para a termopilhadisco-concêntrico
em
kapton
o
.
0.19% I C para a termopilhacom substrato de acrílico. Os resultadosobtidos foram considera
dos bonscomparados
aos coeficientes
de temperat~
ra de termopilhasimportadasque normalmente si~
tuam-sena faixa de 0.1% I °c à 0.25% loc.
-
INTRODUÇÃO
O coeficiente
de Temperatura
, êrro máxi
ID9devido a variação da temperatura
ambiente
(% I °c), e um dos parâmetros que mais afeta
a
performance dassensores termoeletricos ou termopi
lhas,que atualmente, representa o elemento sensT
vel mais completo utilizado dentro das aplicações
radiometricas. 11.2.1.
A resistência elétrica do
circuitode termoparesdepende da temperatura e
nos radiômetrossolares por operarem em condições
de campo, este coeficientee mais acentuado que
em outros detectores, chegando produzir erros ate
EXPERIMENTAL
Quatro termopilhas
foram
submetidas
nos testes experimentais de variações de
temperatura.
disco concêntrico contendo
Termopilhan9 1
de bismuto/antimônio
de
36 termpares
positados
em substrato de kapton 10Õ
HN (espessura de 25j.1m).
-
95
Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, Vol. 10 D.l, 1991.
As especificações do circuito dos termopares são:
espessura do filme metálico 3000 °A, resistência
elétrica de 9.43 1d2ã 25 °c, diâmetro 25 DDD.A fi
gura (1) mostra o esquema de termopares desta ter
mopilha.
Figura 3 - Esquema do circuito de termopares
termopilhas n9 4
Full-Black.
-
das
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Figura 1 - Esquema do circuito de termopares
termopilha n9 I disco-concêntrico.
Independentemente da configura~ão dos ,circui
tos de termopares mostrado na secçao anter~or, no
ta-se que as resistências elétricas das
termopT
lhas é da ordem de kn. Se compararmos estas re=
sistências de filmes finos com resistência eletri
ca de termopilhas tradicionais obtidas por outros
processos, ou seja, termopilhas de fios metálicos
que normalmente são da ordem de O,
nota-se uma
considerável diferença nesta característica. A aI
ta resistividade nas termopilhas de filmes finos
e atribuida as imperfeições existentes na estrutu
ra cristalina dos condutores metálicos /9/. A ir=
regularidade no reticulado reduz a mobilidade dos
eletrons atraves da diminuição do livre
caminho
médio provocando coósequentemente o aumento da re.
sistividade. Outro fator que contribui para o e=
levado valor da resistênciaelétrica é a espessu
ra da trilha metálica dos circuitos de termopares
que é da ordem de 3000 °A e cujo valor representa
em media menos'que 25% do livre caminho médio do
bismuto (de 10.'1 2 10. °A) que é o metal dominan
te do par metálico IlO(
Do ponto de vista prático, resistência
das
termopilhas de filmes finos elevadas
representa
uma desvantagem em relação às termopilhas elabora
das de fios, pois apresentam problemas de impedâõ
cia ao serem acopladas aos sistemas de aquisições
de dados, alem de que o efeito Johnson ou
ruido
Johnson é mais pronunciado,limitandoassim
sua
da
Termopilha n9s 2 e 3 - estrela
contendo 36
termopares de bismuto/antimÔnio
depositados em
sub$tratos de kapton 100 HN e acrílico com espes
sura de 0,5 DDD. As especificações dos circuitos
são: espessura do filme metálico 3000 °A para ambos substratos e resistências elétricas a
25 °c
de 10.36 kO para o substrato de kapton e 7.2 kO
pafa o acrilico, diâmetro dos circuitos 25 mm. A
figura (2) mostra o esquema de termopares
desta
termopilha.
detectividade.
Figura 2
-
Esquema do circuito de termopares
termopilhas n9s 2 e 3
estrela.
-
-
.
As fi~uras 4,5,6
e 7 mostram os resultados
de variaçao da resistência eletrica com a tempera
tura para as quatro termopilhas. Nos eixos verti
cal estão representados as variações das resisten
cias eletricas em kO e no eixo horizontal as va=
riações da temperatura em graus centigrados (oc).
As curvas obtidas mostram que independentemen
te do tipo e substrato da termopilha, a variaçãõ
de resistência eletrica com a temperatura e
linear dentro do intervalo de temperatura considera
do. Esta característica é importante porque
coeficiente de temperatura para estes substratos
(kapton, mylar e acrílico) é aproximadamente cons
tante dentro do mesmo intervalo. Os
resultados
mostram ainda que a variação para os
substratós
de kapton e mylar e negativa, ou seja, inclinação
decrescente, e para o substrato de acrílico positivo, inclinação crescente.
das
Termopilha n9 4
Full-Black, contendo 30 ter
mopares de bismuto/antimÔnio em substrato de my=
lar (espessura da 25 ~m), com espessura de filme
igual à 3000 °A, resistência elétrica ã 25 °c de
7.8 kO'e diâmetro de 25 mm. A figura (3) IDOstra
o esquema do circuito desta termopilha.
Para se obter as variações nas resistências
elétricas das termopilhas as mesmas foram instala
das em piranômetros e posicionadas em estufa com
temperaturas variando entre -10 °c ã 50 oCo As re
sistências elétricas foram medidas, após cada e=
quilíbrio termico ter-se estabelecido, com um mul
tímetro digital de 3 1/2 dígitos da E.C.B. do Brã
sil.
õ
96
Revista Brasileira de Apllcaç6es de VAcuo, voa. 10, D.1, 1991.
12
cientes de determinação rz, próximos dos 100% de
confiabilidade. Os coeficientes angulares b
ou
seja variação das resistências elétricas
com a
temperatura 6R/6T para as quatro termopi1has foram.
11
Termopilha
q...
.c
Ü
.~ 10
...
111
iii
!AI
11:
1:
-2.00 .
10 -z kO/oC
Termopilha 2: -9.7
10 -3 kO/oC
Termopilha 3: 1,36
10 -z kO/oC
Termopilha 4: -1.0
.9-
.
10~
kn/°C
9
8
.
8
-
Â
PONTOS EXPERIMENTAIS
o
-10
10
20
TEMPERATURA
Figura
4
q...
CURVA DE REGRESSÃO LINEAR
30
40
.c
Õ
z 7
'!AI
...
li)
iii
!AI
11:
~
GRAUS CENTIGRAOO
- Variação
da Resistência Elétrica com a
Temperatura na Termopilha Disco-Concên
trico em Substrato de Kapton.
-
12
6
 PONTOS EXPERIMENTAIS
-CURVA
$
-I~
-io
c:
...
Figura 6
-
.c
~ 11
DE REGRESSÃO UNEAR
o
10
4!0
~
4°.
~
TEMPERATURA GRAUS CENTIGRAOO
Variação da Resistência Elétrica com a
Temperatura na Termopilha Estrela
em
substrato de Acrllico.
.!AI
...
!!!
10
111
!AI
ao:
9
 PONTOS EXPERIMENTAIS
-CURVA
DE REGRESSÃO LINEAR
q
10
-zo
-10
o
10
TEMPERATURA.
Figura
5
20
GRAUS
SO
40
... 8
.c
Ü
z
:10
CENTIGRAOO
C""
- Variação
li;
da Resistência Elétrica com a
Temperatura na Termopi1ha Estrela
em
Substrato de Kapton.
~7
11:
Tais caracterrsticas deve-se ao elevado coeficiente de dilatação do acrllico e do baixo coeficiente de dilatação do kapton e mylar em relações aos metais na forma de filmes finos.
O Quadro I mostra os resultados estatrsticos
obtidos nas análises de regressão linear,
onde
são relatados os números de dados observados
N,
coeficientes de determinação rz, o valor de F
a
nrvel de 1% de significância e coeficiente angular.
Analisando-se os resultados pode-se concluir
que as equações de regressão se ajustaram bem aos
dados, como mostram os elevados valores dos coefi
6
Â
-
PONTOS EXPERIMENTAIS
CURVA DE REGRESSÃO LINEAR
$
-10
-20
O
10
1'EMPJ;RATURA GRAUS
Figura 7
97
-
20
W
40
:10
CENTIGRAOO
Variação da Resistência Elétrica com a
Temperatura na Termopilha
Full-Black
em Substrato de Mylar.
Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, Vol. 10, D.l, 1991.
TERMOPILHA
DISCO-CONC2NTRICO
SUBSTRATO
KAPTON
N
KAPTON
10
r2(%)
1424.5
- mopilhas
Resultados
estatlsticos
nos substratos
1
CT
2
a
2.01 10
9.43
= 0.96 10.86
10 2
. 100 . % kO/ C = 0,21% /
kO
. 100 . % kO/0 C = 0,09% /
k\1
06
0.9877
0.9982
568.6
-0',9.10
2279,7
1.35.10
2
1.0610
2
das regressões
Lineares
para as quatro
de kapton, mylar e acrllico.
2
ter-
ã 40
°c e 0,19% / °c ã 0,21% / °c, para a termopi
lha estrela em acrllico e termopilhadisco-concên
trico em kapton no intervalode 15 à 35 oCo
-
AGRADECIMENTOS
FAPESP (89/0746-1)
C
O
MYLAR
09
1.128.5
2
Dividindo-se
os coeficientes
~R/6T pelas respectivas
resistências
elétricas
na temperatura
am
biente e multiplicando
por 100, teremos em valor
absoluto,
os coeficientes
de temperaturas
(CT)
percentuais
para cada termopilha.
Ou seja.
0
2
0
CT
ACR1LICO
0.9960
-2.10
b
FULL-BLACK
09
0,9943
F**
Quadro 1
ESTRELA
e FUNDUNESP
(DFP-160/89) -
pelo apoio financeirodo projeto.
Aos
rios João C. Omodei e Antonio A. Martins
funcinacolabora
ção datilografica e gráfica no trabalho.
C
BIBLIOGRAFIA
CT
3
CT..
=
1.35 10 2 . 100 . % kO/0 C
= 1.06
7.2
10
7.8
kO
2
. 100
.
/0
kQ
=
0,19%
= 0,13%
/ OC
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DERENIlK, E.L. e CROWE.D.G. Thermal Detectors
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/ O
C
ESCOBEDO.J.F.j
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de Lindóia ($P) p. 113-115. 1988.
ESCOBEDO,
J.F.. PASSOS.E.F.. SOUZA,M.F. Revista
Os resultados
obtidos
gara os coeficientesde
temperatura entre 0,09% / C a 0,21% / °c,
foram
considerados bons quando comparados com os coefi
cientes de temperatura de termopilha de fios metã
licos utili~ados nos radiômetros solares
situam
dentro do intervalo
0,05% / °e i 0,25% / oCo '/lt,
12/.
Os coeficientes de temperatura foram
mais
significativospara a termopilhaestrela em substratos de kapton (0,09% / °C), termopilha
FullBlack em substrato de mylar (0,13% / oC). termopi
lha estrela em acrllico (0,19% / °C) e termopilhã
disco-concêntrico em kapton (0,2% / °C), respecti
vamente. Nota-se pelo resultado, obtidos com as
termopilhas em kapton, que o coeficiente de tempe
ratura depende fortemente da configuração dos ter
mopares. A diferença observada de duas ordensde
grandezanestes coeficientespara as duas termopi
lhas deveu-se ao fato que as resistências resul~
Cantes dos dois circuitos de termopares serem fun
ção da dilatação diferencial,
preferencial~ente
no sentido tangencial na Termopilha estrela e radial na Termopilha disco-concêntrico.
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ROBINSON, N. Solar Radiation, Elsevier. 1966.
COULSON. K.L. Solar TerrestrialRadiation,London
CONCLUSÕES
Considerando-se o critério estabelecido pela
Organização Mundial de Meteorologia como sendo de
2% o erro nas medições para o coeficiente de tem~
peratura, nossos resultados estabelecem
impreci
sões da ordem de 0,09% / °c para a termopilha es~
trela em substrato de kapton no intervalo de temperatura de 5 °c i 45 °C; 0,13% / °c, para a termopilha Full-Black no substrato de mylar de 10 °c
Ap. 1975.
98