Cryogenic Temperature Sensors from Lake Shore

Il nostro partner

Sensori per basse temperature

da Lake Shore Cryotronics

La scelta del giusto sensore di temperatura è essenziale per la corretta e accurata misurazione della temperatura in un criostato. A questo scopo, a ciascuna tipologia di sensori viene attribuito un set di valori relativi alle proprietà utili a distinguerne le caratteristiche: intervallo di lettura, l’accuratezza, la risoluzione, la resilienza al campo magnetico o alle radiazioni, il package.

Lake Shore Cryotronics offre sensori di temperatura Cernox®, diodi al silicio e all’arseniuro di gallio e alluminio (GaAlAs), al Germanio, in Ossido di Rutenio (ROxTM), al platino, capacitivi e termocoppie.

In funzione della tipologia, diversi package sono disponibili: package custom, avvitabili o imbullonabili, integrati, chip nudi.

Easy product selection for quick inquiries

Go to inquiry system

Caratteristiche

Lettura da 0.01K a 1543K
Sensori resilienti al campo magnetico e alle radiazioni
Package in gradi di minimizzare la segnatura magnetica
Opzioni per il vuoto
Accuratezza da livello base alle massime possibili

Maggiori informazioni

	Temperature range	Standard curve (interchangeable)	Radiation resilient	Performance in magnetic field	Vacuum compatible	Best for
Negative Temperature Coefficient RTDs
Cernox^®	0.10 K to 420 K		Best choice for cryogenics	Best choice above 1 K	Ultra-high (to 10-10 Pa)	Wide temperature range. Best accuracy and precision in presence of magnetic fields or radiation. Different model to maximize sensitivity at various temperatures. Most popular cryogenic sensor family.
Interchangeable Rox™	0.05 K to 40 K	■	■	Good	High (to 10-4 Pa)	When sensor interchangeability is desired below 1.4 K or in the presence of moderate magnetic fields
Ultra-low temperature Rox™	<0.01 K to 40 K	■	■	Good	High (to 10-4 Pa)	Temperature measurement below 50 mK
Germanium	0.05 K to 100 K		■	Not recommended	High (to 10-4 Pa)	Highly stable measurements over long periods of time
Diodes
Silicon	1.4 K to 500 K	■		Fair above 60 K	Ultra-high (to 10-10 Pa)	Great value general purpose sensor for cryogenic applications down to 1.4 K that don't involve magnetic fields or radiation.
GaAlAs	1.4 K to 500 K			Fair	Ultra-high (to 10-10 Pa)	Systems with upper temperature limits between 420 and 500 K that also contain magnetic fields
Positive Temperature Coefficient RTDs
Platinum	14 K to 873 K	■	■	Fair above 30 K	High (to 10-4 Pa)	Accurate and repeatable measurements above 500 K, up to 873 K. Affordable sensor for applications where temperatures remain above 14 K.
Other
Capacitance	1.4 K to 290 K			Excellent	High (to 10-4 Pa)	Highest control stability when in the presence of massive magnetic fields at cryogenic temperatures. Requires a secondary sensor to provide temperature values
Thermocouple Wire	1.2 K to 1543 K	■		Fair	Ultra-high (to 10-10 Pa)	Situations where the temperature exceeds 600 C (873 K). Lowest cost sensor for other temperature ranges, but at the cost of significant loss of accuracy
Specialty
HR Series	20 K to 420 K		■	Excellent	Ultra-high (to 10-10 Pa)	Space applications

Tipologie di sensori
Lake Shore Cryotronics offre una grande varietà di sensore di temperatura.

Sotto, una guida ove ne vengono riassunte le caratteristiche e gli usi tipici.

CernoxTM
I sensori CernoxTM sono stati progettati per le applicazioni criogeniche più impegnative. Tali sensori RTD (Resistance Temperature Detector) sono realizzati in film sottile e offrono misurazioni ad altissima risoluzione ed estremamente consistenti in un intervallo di temperature molto ampio.

I CernoxTM, essendo intrinsecamente resilienti a offset indotti da campi magnetici e a danneggiamenti da radiazioni ionizzanti, sono dunque la scelta primaria per ogni sistema criogenico tradizionale.

Inoltre sono disponibili in un formata ad altissima affidabilità per le applicazioni aerospaziali.

Diodi al silicio
I diodi al silicio sono eccellenti sensori per l’uso generico, capaci di leggere temperature da 1.4 K a 500 K. Poiché mostrauno di aderire a una curva standard, i diodi al silicio si dicono intercambiabili, ovvero non necessitano di calibrazioni specifiche per ciascun sensore (fintanto che si possa lavorare entro certe accuratezze e in certi range di temperatura). Ciò li rende particolarmente facili da usare e da manutenere.

I diodi al silicio mostrano eccellenti accuratezza e risoluzione sotto i 30K. Al contrario, al di sopra di questo limite, la loro risoluzione si riduce quindi risultano adatti principalmente le applicazioni puramente criogeniche.

Lake Shore offre numerosi package affinché ciascun utente possa trovare il montaggio più adatto alle proprie necessità.

Diodi all’arseniuro di gallio e alluminio
I diodi in GaAlAs non sono intercambiabili ma si rivelano molto utili in applicazioni criogeniche in campi magnetici da bassi a moderati: sssendo dispositivi a singola giunzione e gap diretta, i sensori GaAlAs sopportano campi fino a 5T.

Con sensibilità sopra i 50K piuttosto limitata, si comportano molto bene al di sotto di essa e sono molto utilizzati nel range 1.4K-500K, sebbene di solito vengano loro preferiti i silicio o i CernoxTM.

Germanio
I sensori di temperatura resistivi al germanio sono riconosciuti come termometri standard secondari grazie allo loro eccellente stabilità a lungo termine. Ma tale caratteristica ha un costo: gli elementi sensibili devono infatti essere montati in assenza di sollecitazioni meccaniche (tensioni, deformazioni, ecc.) rendendo i package AA e CD gli unici possibili.

La prestazioni migliori si ottengono sotto il Kelvin, fino ai 50mK, dove i sensori al germanio mostrano accuratezza e precisione molte alte.

Prestazioni povere invece di rilevano al di sopra dei 30K e in presenza di campo magnetico.

Come accennato, la loro stabilità li rende la scelta primaria nelle calibrazioni criogeniche.

Ossido di rutenio
La famiglia dei sensori resistivi all’ossido di rutenio (ROx) comprende sensori con caratteristiche piuttosto diverse.

In generale funzionano bene da 40K in giù e la maggior parte risulta abbastanza consistente da poter essere considerati intercambiabili, con due bande di accuratezza disponibili.

I sensori ROx non sono adatti ad ambienti con radiazioni ionizzati e campo magnetico, sebbene lo spostamento indotto da quest’ultimo nella misura possa essere compensato.

Lake Shore Cryotronics offre 4 diversi sensori ROx, ciascuno dei quali con caratteristiche peculiari. Il modello più comune, lo RX-102, è intercambiabile ed economico.

Platino
I sensori resistivi al platino (PRT) sono molto comuni grazie al vantaggioso rapporto qualità/prezzo. La loro senbilità è spostata verso le alte temperature: dall’azoto liquido fino a vari centinaia di gradi Celsius.

I PRT da 100Ω di Lake Shore Cryotronics sono conformi alla curva standard ISO e sono stati caratterizzati provandone l’uso affidabile fino a 14K, il che ne fa i PRT con sensibilità alla temperatura più bassa del mercato. Sopra i 70K i PRT offrono alta ripetibilità e sensibilità essenzialmente costante.

I PRT possono essere utilizzati in campo magnetico se errori dell’ordine del grado sono accettabili e sono utilizzabili in presenza di radiazioni ionizzanti.

I sensori resistitivi al platino sono offerti calibrati, parzialmente calibrati o non calibrati.

Capacitivi
I sensori capacitivi, CS, sono altamente specializzati e ben si adattano ad ambienti con alti campi magnetici ma subiscono l’influenza della temperatura. Per questo hanno bisogno di essere accoppiati a un altro sensore, un CernoxTM per esempio, che consenta di trasferire loro una calibrazione e restituisca un valore corretto una volta raffreddato il sistema sul quale questi sensori operano.

Inoltre i CS necessitano di hardware specifico, come la card opzionale per la misura della capacità 3061 disponibile per i Model 335 e 336. Nonostante la complicazione introdotta dall’uso di questi sensori, essi sono però necessari ogni qual volta si necessiti di mantenere assolutamente stabile la temperatura di un sistema esposto ad alti campi magnetici. Una volta raggiunta la temperatura voluta, i CS sono capaci di mantenerla stabile al mK al di sopra di 1.4K.

Termocoppie
Le termocoppie sono i sensori con il più ampio range di lavoro ma a bassa sensibilità. Sono utilizzate per misurazioni semplici ed economiche e necessitano di grande cura nel montaggio.

Le termocoppie sono molto utili per temperature superiori a quelle gestibili con un platino.

Vengono vendute in fili e necessitano di preparazione prima dell’uso.

Package dei sensori
Lake Shore Cryotronics offre la più ampia scelta di package per adattare i propri sensori a qualsiasi applicazione. In ciò che segue riassumiamo le caratteristiche di tali package per guidarvi nella scelta del più adatto.

I metodi di fissaggio dei sensori alle superifici sotto controllo, possono essere saldature all’indio, resina epossidica stycast® 2850, vernice IMI 7031 o morsetto CO (morsetto a molla con vite per fori 4-40) con grasso Apiezon® N o indio.

Package SD
Il più popolare package criogenico. Resistente e compatto, garantisce eccellente contatto termico.

Facile da incollare o fissare su superfici piane

Massa ridotta per garantire tempi di risposta termica rapidi

Base in zaffiro per un'eccellente conduttività termica e isolamento elettrico

Corpo e coperchio in allumina

Chiuso ermeticamente

Placcato in oro per ridurre l'effetto delle radiazioni ottiche

Chip nudi BR (Bare chip)
I chip nudi sono da preferire quando i vincoli dimensionali impongano il minimo ingombro o si renda necessaria la minima massa termica. Questa soluzione richiede montaggi avanzati, i più complicati di tutti i package.

Package a serraggio – BO, CY, CU, CD, CB, AL, AM
Sistema molto conveniente di fissaggio semi-permanente. Questi package presentano un foro attraverso il quale far passare una vite per il bloccaggio sulla superfice dal controllare. Per rendere affidabili tali soluzioni, le masse crescono, riducendo la risposta termica.

Package integrati - AA, LR, P
Package piccoli idonei ai fori di montaggio. Queste soluzioni pongono qualche difficoltà in più nel rimpiazzo dei sensori rispetto ad altri package.

Specifiche

Cernox

Sensore di temperatura criogenico resistivo a film sottile
Package non magnetici
Molto resistente alle radiazioni ionizzanti
Prestazioni eccellenti in campo magnetico
Estrema consistenza su ampio intervallo di temperature

Germanio

Temporaneamente non disponibile (si prega di considerare i CernoxTM come alternativa)
Sensori di temperatura resistivi
Termometro standard secondario
Alta sensibilità alle temperature submillikelvin
Altamente stabile e preciso

Rox per temperature ultra-basse

Calibrazioti fino a 10mK
Ideali per i refrigeratori a diluizione
Stabilità termica migliorata grazie alla schermatura ottica
L’unico sensore in grado di misurare sotto i 50mK

Rox intercambiabili

Modelli: RX-102A, RX202A e RX-103A
Curva standard
Buona resistenza alle radiazioni
Buon comportamenti in campo magnetico
Intervallo di lettura: 50mK - 300K

Diodi al Silicio

Modelli: DT-670-SD, DT-670E-BR e DT-621-HR
Intervallo di lettura: 1.4K - 500K
Autoriscaldamento minimo
Intercambiabili

Diodi al GaAlAs

Risposta monotona in temperatura
Sensibilità eccellente a temperature sotto i 50K
Perfetti per sistemi che operino fino a 500K e in campo magnetico

Platino a coefficiente positivo

Conformi allo standard IEC 751 fino a 70K
Alta ripetibilità: ±5mK a 77K
Calibrazione SoftCal™ disponibile
Package non magnetici disponibili
Limite di lettura superiore 873K
Intercambiabili
Economici

Capacitivi

Capaci di controllare la stabilità al mK in presenza di forti campi magnetici
Monotoni (C/T) fino a quasi temperatura ambiente
Offset più basso possibile in ambiente magnetico
Richiede un sensore di accompagnamento per un'accuratezza assoluta e strumenti di misurazione specifici in grado di controllare la capacità.

Termocoppie

Tipo E (Chromel-Constantan)
Tipo K (Chromel-Alumel)

Serie HR

15 anni di tracciabilità dei materiali
Dati di resistenza e sensibilità
Protocollo di test specifico per l’affidabilità massima

Applicazioni

La temperatura è una grandezza termodinamica intensiva che descrive lo stato di un corpo. Questo stato dipende dall’agitazione delle entità molecolari che costituiscono quel corpo ed è definibile per mezzo di una grandezza fisica scalare.

La temperatura permette di prevedere la direzione di un flusso di calore che, per due corpi isolati a contatto termico, si dirige dal più caldo al più freddo.

Formule di conversione per la temperatura

gradi Celsius T[°C] = T[K]-273.15
gradi Fahrenheit T[°F] = T[°C] x 1.8+32
gradi Rankine T[°R] = T[K] x 1.8
gradi Réaumur T[°Ré] = (T[K] - 273.15) x 0.8

I termometri sono gli strumenti utilizzati per la misurazione della temperatura, ovvero oggetti in grado di restituire un segnale in uscita dipendente dalla temperatura misurata in maniera riproducibile.

I termometri possono appartenere a due classi distinte: i primari e i secondari.

Un termometro è detto primario se ha una dipendenza dalla temperatura senza variabili incognite e/o dipendenti dalla temperatura stessa.

Un termometro è detto secondario se misura una grandezza dalla quale non sia calcolabile direttamente la temperatura e che debba dunque essere calibrato rispetto a dei punti fissi.

Per esempio un termometro secondario è lo RTD al platino, per il quale una variazione di temperatura implica una variazione di resistenza del filo in platino sul quale è basato.

Poiché i termometri primari sono tipicamente grandi, lenti e costosi, di fatto quelli utilizzati nella pratica sono quasi esclusivamente secondari, che per altro sono spesso molto più sensibili dei primari. I secondari sono calibrati secondo standard internazionali rispetto ai punti fissi di temperatura stabiliti nello IST-90 (International Temperature Scale of 1990) e PLTS-2000 (Provisional Low Temperature Scale of 2000).

I responsabili per la definizione delle scale di temperatura sono le autorità governative, come il nostro INRiM, l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica.

Per i sensori di temperatura prodotti secondo processi industriali estremamente riproducibili, è possibile generare delle curve di tolleranza che indichino quanto vicino alla calibrazione standard tutti quei termometri siano. E’ il caso dei diodi al silicio o al platino, detti appunto intercambiabili poiché tutti hanno un comportamento che ricade entro la rispettiva curva di tolleranza che, in sostanza, garantisce in merito al massimo errore commesso nell’utilizzo di tali termometri.

I diversi sensori possono essere letti per mezzo dei monitor di temperatura. I controller invece consentono non solo la semplice lettura ma possono attivamente regolare la temperatura.

Tra le applicazioni più complicate e esigenti per le quali la serie HR è stata dedicata, ricordiamo i telescopi spaziali, i supercollider, i reattori per la fusione, satelliti per la ricerca e le locomotive maglev.