La medición de la temperatura dentro de un horno puede presentar varios retos: altas temperaturas, ciclos de temperatura y atmósferas hostiles que superan los límites de muchos dispositivos de medición, mientras que otros tienen una vida útil muy reducida y una precisión deficiente.
Este artículo aborda principalmente dos retos específicos relacionados con la medición de la temperatura en hornos: los tipos de atmósferas oxidantes y reductoras en los hornos utilizados en la fabricación de microelectrónica.
Descripción general de los hornos
La necesidad de calentar es común a muchos procesos de fabricación. Los cauchos y adhesivos se curan, los metales se recocen para modificar su metalurgia y propiedades, los recubrimientos se secan, los metales se funden y las cerámicas se cuecen o vitrifican. Muchos de estos procesos se llevan a cabo en hornos, calentados con electricidad o gas. Un horno que puede calentar por encima de los 1000 °C (1832 °F) se denomina horno industrial.
Un horno de cerámica es un tipo particular de horno industrial utilizado en cerámica. A altas temperaturas, muchos materiales comienzan a reaccionar con la atmósfera circundante. Si esa atmósfera tiene muy poco oxígeno, puede extraer oxígeno del material que se está calentando. Esa atmósfera se denomina «reductora». El calentamiento con gas suele dar lugar a una atmósfera deficiente en oxígeno. Si la atmósfera es rica en oxígeno, el material que se calienta capturará una parte, formando una capa de óxido. Este tipo de atmósfera se denomina «oxidante». Este es el proceso que se emplea en los hornos de difusión utilizados en la fabricación de microelectrónica para producir SiO2.
La calefacción eléctrica es más propensa a producir una atmósfera oxidante. El control de la atmósfera se puede lograr de varias maneras. Se puede introducir gas en la cámara, lo que se puede hacer para crear una atmósfera inerte. Alternativamente, se podría utilizar un horno de vacío.
Opciones de medición de alta temperatura
Serie XTA, XMO, XPA, XIN El límite superior para los dispositivos termistores es de aproximadamente 100 °C (212 °F) y los RTD están limitados a aproximadamente 750 °C (1382 °F). Esto deja a los termopares y los pirómetros de infrarrojos como los dispositivos más adecuados para medir temperaturas superiores a 1000 °C (1832 °F).
Termopares
Los termopares utilizan el efecto Seebeck (la diferencia de EMF entre metales diferentes) para producir una señal proporcional a la temperatura. El níquel-cromo y el níquel-alumel son los pares de metales más utilizados en lo que se denomina termopar «tipo K».
El tipo K es económico y se puede utilizar en un rango de temperaturas de -200 a 1250 °C (-328 a 2282 °F). Sin embargo, los cambios metalúrgicos a temperaturas superiores a 1000 °C (1832 °F) reducen la precisión, y los ciclos a esta temperatura inducen efectos de histéresis, lo que reduce aún más la precisión. Los termopares de tipo K también son vulnerables a la corrosión en una atmósfera oxidante.
Los termopares pueden dañarse o fallar durante su uso, lo que requiere su sustitución. Si esto implica apagar y enfriar un horno continuo, puede ser una tarea difícil y costosa. Por esta razón, es común incluir termopares redundantes en toda la cámara de calentamiento.
Pirómetro IR
Serie OS530E-DM E La pirómetría por infrarrojos (IR) ofrece un cómodo método sin contacto para medir altas temperaturas. Esta tecnología aprovecha la ley de Planck, según la cual la longitud de onda y la intensidad de la radiación IR emitida por una superficie son proporcionales a su temperatura. Un pirómetro o una cámara de captación de imágenes térmicas detectan esta radiación y convierten la señal en una temperatura.
La pirómetro IR funciona bien cuando la superficie del material caliente está expuesta, como en el caso del metal fundido en una cuchara. Utilizarlo para medir temperaturas dentro de un horno es más difícil, ya que es necesario verlo a través de una ventana. Esta ventana debe transmitir la radiación IR de la longitud de onda correspondiente tanto a la sensibilidad del detector como a la temperatura que se mide.
El vidrio normal es opaco a algunas longitudes de onda IR, especialmente entre seis y siete micras. El vidrio de calcogenuro se fabrica especialmente para aplicaciones de transmisión IR, pero está limitado a temperaturas inferiores a unos 370 °C (698 °F). El zafiro es un material alternativo para ventanas que transmite longitudes de onda de hasta cuatro micras, pero es relativamente blando y se daña con facilidad. Cuando se utiliza una ventana de zafiro IR como puerto de visualización, debe diseñarse sin salientes que la hagan vulnerable a los daños. El zafiro también tiene un límite de temperatura de alrededor de 450 °C (842 °F), lo que lo hace inadecuado para aplicaciones en hornos.
La emisividad siempre es un problema en la pirometría: diferentes materiales a la misma temperatura irradian diferentes intensidades de radiación IR y el sensor debe ser calibrado para ello. La ventana influirá en la radiación transmitida.
Termopares de alta temperatura
Hay dos familias de termopares disponibles, los que utilizan uniones de tungsteno-renio y los de platino-rodio. Los termopares de tungsteno-renio (tipos G, C y D) funcionan a temperaturas de hasta 2320 °C (4208 °F), pero no resisten una atmósfera oxidante.
Para atmósferas oxidantes, se deben seleccionar termopares de platino-rodio, a veces denominados «termopares de metales nobles». Estos están disponibles como tipo R, [máximo de 1460 °C (2660 °F)], Tipo S, [máximo de 1450 °C (2642 °F)] o Tipo B, [máximo de 1700 °C (3092 °F)]. Son más caros que los termopares de metal común.
Fundas para termopares
Dependiendo de la instalación, es habitual proteger los cables de los termopares colocándolos dentro de un tubo o funda protectora. El acero inoxidable se utiliza ampliamente, ya que es económico y resistente a la corrosión. Sin embargo, tiene un punto de fusión de alrededor de 1400 °C (2552 °F), lo que limita la temperatura de servicio a menos de 1100 °C (2012 °F) y reacciona con atmósferas oxidantes.
Para capacidades de temperatura más altas, considere el uso de fundas de tantalio o molibdeno. Estas alcanzan los 2315 °C (4199 °F) y los 2200 °C (3992 °F) respectivamente, aunque ambas son sensibles a la oxidación, por lo que no deben utilizarse en atmósferas oxidantes. Las alternativas son las fundas cerámicas, que soportan hasta 1960 °C (3560 °F), las fundas de aleación de platino y rodio, que soportan 1650 °C (3002 °F), o el Inconel® 600, que alcanza los 1150 °C (2102 °F). Todas ellas pueden soportar atmósferas oxidantes.
Materiales de la funda
| Código | Material | Temperatura máxima de funcionamiento | Entorno de trabajo | Punto de fusión aproximado | Observaciones |
| XTA | Tantalio | 2300 °C/°F | Vacío | 3000 °C 5425 °F | Resiste muchos ácidos y álcalis débiles. Muy sensible a la oxidación por encima de 300 °C (570 °F) |
| XMO* | Molibdeno | 2200 °C/4000 °F | Inerte al vacío Reductor | 2610 °C/4730 °F | Sensible a la oxidación por encima de 204 °C/°F (400 °F) No flexible |
| XPA | Aleación de platino y rodio | 1650 °C/°F 3000 °F | Inerte a la oxidación | 1870 °C/°F 3400 °F | No es atacado por el SO2 a 1093 °C/°F (2000 °F). La sílice es perjudicial. Los halógenos atacan a altas temperaturas |
| XIN | Inconel 600 | 1150 °C/°F | Oxidante Inerte Vacío | 1400 °C 2550 °F | Excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas. El hidrógeno tiende a fragilizarlo. Muy sensible a la corrosión por azufre |
*Los metales refractarios son extremadamente sensibles a cualquier rastro de oxígeno por encima de aproximadamente 260 °C (500 °F).
Aislamiento de termopares
Aislamiento XC, XC4 y XS El aislamiento se incorpora a la funda del termopar para evitar que los cables entren en contacto con los laterales. Este aislamiento debe tener una temperatura nominal adecuada al entorno. Los materiales más comunes para las temperaturas de los hornos son la alúmina, la magnesia y el óxido de hafnio. La alúmina tiene una temperatura máxima de 1540 °C (2804 °F), mientras que la magnesia y el óxido de hafnio alcanzan los 1650 °C (3002 °F) y
Conclusiones
Los termopares son una buena opción para medir la temperatura dentro de los hornos. Aunque los termopares «tipo K», ampliamente utilizados, soportan las temperaturas de los hornos, los tipos G, C y D, así como R, S y B, ofrecen un mejor rendimiento. A las temperaturas de los hornos, el tipo de atmósfera empleada se convierte en un factor importante a tener en cuenta. En particular, una atmósfera oxidante, como la que se utiliza en la fabricación de microelectrónica, provocará una reacción tanto con los tipos G, C y D como con las fundas de acero inoxidable que se emplean a menudo.
La pirómetro IR es una alternativa para medir altas temperaturas, pero requiere una ventana o mirilla para medir el interior de un horno. Por esta razón, se suele preferir cuando hay una línea de visión ininterrumpida.
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