半導體敏感元件(熱敏元件與溫度傳感器)

熱敏元件與溫度傳感器本章主要內(nèi)容1.概述2.熱電偶3.熱電阻4.半導體陶瓷熱敏電阻5.硅電阻溫度傳感器6.半導體熱敏二極管7.集成溫度傳感器1.概述

液體膨脹式溫度計

固體膨脹式溫度計玻璃管溫度計雙金屬溫度計

溫度最本質(zhì)的性質(zhì)當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。溫度分類接觸測溫非接觸測溫熱輻射測溫熱傳導測溫熱阻式熱電式金屬熱電阻半導體半導體陶瓷熱敏電阻熱電偶溫度傳感器→敏感元件→電參數(shù)PN結(jié)式集成溫度傳感器測量方法1.概述熱敏二極管熱敏三極管溫度傳感器2.1工作原理（熱電效應，或稱為賽貝克效應）兩種不同導體構(gòu)成閉合回路兩個節(jié)點（A、B）溫度不同溫差電勢（湯姆遜電勢）σA-湯姆遜系數(shù)接觸電勢（珀爾貼電勢）不同導體→自由電子密度不同→擴散→電勢同一導體→兩端溫度不同→電子遷移（高→低）→電勢2.熱電偶電動勢若兩種導體相同：NA=NB→E=0若兩端無溫差：T=T0→E=0兩種特殊情況2.熱電偶2.1工作原理=F(T)-F(T0)若T0為常數(shù)，E(T,T0)=F(T)-C注：熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。2.2熱電偶基本定律中間導體定律2.熱電偶中間溫度定律熱電偶中接入第三種材料，只要接入材料兩端溫度相等，熱電偶總熱電勢不變。BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）2.3常用熱電偶材料材料實用使用測溫范圍分度號鉑鐒10純鉑0~1600℃S鉑鐒13純鉑0~1600℃R鉑鐒30鉑鐒60~1800℃B鎳鉻(90%,10%)鎳硅(97.5%,2.5%)-40~1300℃K2.熱電偶分度表--熱電勢與熱端溫度之間關系列成表格冷端為0℃a)普通熱電偶：結(jié)構(gòu)：1-熱電極2-絕緣套管3-保護套管4-接線盒b)鎧裝熱電偶：結(jié)構(gòu)：熱電極+絕緣材料

+金屬保護套c)薄膜型熱電偶：2.熱電偶2.4熱電偶結(jié)構(gòu)

特點：細長(1~3mm)，可以彎曲，撓性好，強度高測端熱容量小，動態(tài)響應快(0.01s)。具有熱容量小,反應速度快等的特點,熱相應時間達到微秒級。普通工業(yè)熱電偶2.熱電偶（thermocouple）2.4熱電偶結(jié)構(gòu)

普通工業(yè)熱電偶鎧裝熱電偶表面溫度熱電偶2.5熱電偶的冷端補償熱電勢:A0℃恒溫法測溫:獲得T→T0固定→T0=0℃（冷端）冷端：干擾、波動T00誤差冷端溫度補償冷端溫度補償方法：2.熱電偶適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用冷端溫度補償方法：2.熱電偶設：冷端溫度恒為t0（t0≠0）被測溫度為t

修正公式冷端t0的熱電勢測量得出的熱電勢

被測溫度t的熱電勢將顯示儀表的機械零點調(diào)至t0處，相當于在輸入熱電偶熱電勢之前就給顯示儀表輸入了電勢E(t0,0)。B冷端溫度修正法

C儀表機械零點調(diào)整法

材料：純金屬---鉑、銅、鎳、鐵

3熱電阻原理：熱能熱電阻電阻值溫度熱電阻阻值在0～630.74℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關系為當-190℃<t<0℃時A=3.96847×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-12/℃4鉑電阻

T

R熱電阻特點：(1)在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，易于提純，工藝性好。不能用于還原介質(zhì)。

(2)輸入輸出特性接近線性構(gòu)成：金屬鉑絲(0.02~0.07mm)繞制成線圈3熱電阻在-50～180℃范圍內(nèi)，金屬銅的電阻值與溫度的關系為溫度0℃時的電阻值

α:銅電阻溫度系數(shù)（4.25×10-3-4.28×10-3/℃)銅電阻熱電阻結(jié)構(gòu)

3熱電阻鉑電阻溫度傳感器采用日本進口薄膜鉑電阻元件精心制作而成，具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性強，產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點,適用于小管道（1/2英吋~8英吋）以及狹小空間高精度測溫領域，與二次顯示表以及PLC配合。熱電阻結(jié)構(gòu)

3熱電阻金屬氧化物為原料，采用陶瓷工藝制備的具有半導體特性的熱敏電阻。4半導體陶瓷熱敏電阻分類B正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)A負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)C臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)

溫度范圍較窄，一般用于恒溫加熱控制，或者溫度開關。一些功率PTC元件作為發(fā)熱元件使用;測溫范圍寬，主要用于溫度測量;溫控開關4半導體陶瓷熱敏電阻A負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)105104103102

0-101030507085100120T/oC電阻/ΩNTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線數(shù)學表達式導電機理（b）居里溫度以上（a）電子晶界居里溫度B正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)4半導體陶瓷熱敏電阻實驗公式lnRT~T

表示PTC熱敏電阻電阻-溫度曲線lnRr1lnRr2BPβmRT1T2lnRr0lnRrT導電機理總結(jié)：導電機理-多晶材料的晶粒間界處勢壘隨溫度變化。5硅電阻溫度傳感器利用半導體材料電阻率隨溫度變化的特性進行溫度測量。硅電阻率與溫度關系示意圖A純半導體材料

ni隨溫度增加而增大，室溫附近，溫度增加8攝氏度，硅的ni就增加一倍，因為遷移率只有稍微下降，電阻率降低一半左右；B雜質(zhì)半導體載流子產(chǎn)生雜質(zhì)電離本征激發(fā)散射結(jié)構(gòu)電離雜質(zhì)散射晶格散射當電流密度J保持不變時，PN結(jié)正向壓降隨著溫度T的上升而下降，近似線性關系，對于硅二極管，溫度升高1攝氏度，正向電壓下降2mV。利用半導體PN結(jié)的正向壓降與溫度關系實現(xiàn)溫-電轉(zhuǎn)換。6半導體熱敏二極管本征載流子濃度與溫度的關系

ni=CT3/2exp(-Eg0/2kT)對于理想PN結(jié)：300K，且硅管Uf=0.65V時，在強電離,小注入,Vf大于幾個KT/q時，測溫電路測溫電路V0=(VBE+100*W1)(1+W2/R1))-100*W2REF為雙恒流源集成芯片，提供兩路100μA的恒定電流。三極管C-B結(jié)短接用作熱敏二極管6半導體熱敏二極管靈敏度非線性誤差W2靈敏度調(diào)節(jié)W1調(diào)零電阻非線性誤差不僅與溫度有關，而且與正向電流有關。集電極電流I與Vbe的關系:(1)(2)(3)(4)集成電路對管溫度傳感器7IC溫度傳感器工作原理分析總結(jié)：輸出電壓與絕對溫度T成比例，線性較好，其比例系數(shù)只取決于4個電阻比值。根據(jù)鏡像電流源原理Ic1=Ic2=Ic3=Ic4=I1晶體管的反向飽和電流與發(fā)射結(jié)面積成正比Is3=γIs4總結(jié)：I0與溫度具有良好的線性關系。改進型集成電路對管溫度傳感器7IC溫度傳感器工作原理分析γ電路圖電流型溫度傳感器電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590（美國AD公司生產(chǎn)），國內(nèi)同類產(chǎn)品SG590。器件電源電壓4～30V，測溫范圍-50～+150℃。7IC溫度傳感器

AD590集成溫度傳感器T1,T3,T6構(gòu)成恒流源Ic1=Ic3=I1=2Ic6Ic10=Ic7+Ic8=Ic1=I1Ic9=Ic11=Ic1=Ic3總結(jié)：電流與溫度成正比，誤差較小，且線性較好。電流型溫度傳感器7IC溫度傳感器A主要電路分析

AD590集成溫度傳感器KT—標定因子，為1μA/℃。I=KT·TK

AD590伏安特性曲線工作電壓：4V～30VB)AD590伏安特性電流型溫度傳感器7IC溫度傳感器－550150273.2μAI/μATC/oCAD590溫度特性曲線省略非線性項后則有:I=KT·Tc＋273.2C)AD590溫度特性Tc——攝氏溫度；I的單位為μA。D)AD590的測量電路

AD590在溫度25℃（298.2K）時，理想輸出為298.2μA，實際存在誤差，可通過電位器調(diào)整，使輸出電壓滿足1mV/K的關系。

AD590典型應用電路(1)電流型溫度傳感器7IC溫度傳感器AD590典型應用電路(2)電壓型集成溫度傳感器電路T3T5T4T2T1R1R2VccV0電壓型集成溫度傳感器7IC溫度傳感器

電壓型PTAT集成溫度傳感器電路分析：輸出電壓正比于絕對溫度的集成溫度傳感器。輸出電壓：

具有內(nèi)部參考電壓的溫度傳感器溫度傳感器參考電壓V0特點：“失調(diào)電壓”小，標定簡單，使用方便，電路需要校準，成本高。數(shù)字輸出溫度傳感器7IC溫度傳感器

Smartec溫度傳感器是數(shù)字輸出硅傳感器，一線制輸出可以直接和控制器連接而無需AD轉(zhuǎn)換。溫度范圍為–45t