電氣檢測技術(shù)47課件

4.7半導體及集成溫度傳感器4.7半導體及集成溫度傳感器熱電偶雖然有測溫范圍寬的優(yōu)點，但熱電勢較低；熱敏電阻的工作溫度范圍窄，但靈敏度高，有利于檢測微小溫度變化。但它們的輸出都是非線性的，給使用帶來一定的困難。本節(jié)主要介紹半導體溫度傳感器及集成溫度傳感器，這些傳感器在一定測溫范圍內(nèi)，溫度值與輸出量之間呈較嚴格的線性關(guān)系。電氣檢測技術(shù)2熱電偶雖然有測溫范圍寬的優(yōu)點，但熱電勢較電氣檢測技術(shù)一、半導體溫度傳感器半導體溫度傳感器分類：

PN結(jié)的半導體溫度傳感器、非結(jié)型溫度傳感器。

PN結(jié)半導體溫度傳感器又可分為：

1、二極管溫度傳感器

2、晶體管溫度傳感器

3、集成電路溫度傳感器；

非結(jié)型溫度傳感器主要有：鍺(Ge)單晶、硅(Si)單晶溫度傳感器。電氣檢測技術(shù)3一、半導體溫度傳感器半導體溫度傳感器分類：電氣檢測技術(shù)半導體溫度傳感器的特點

低溫段線性度好、測溫精度較高，是常用的測溫傳感器。

PN結(jié)測溫傳感器是利用半導體材料和器件的某些性能參數(shù)的溫度依賴性，實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ堋?/p>

電氣檢測技術(shù)4半導體溫度傳感器的特點低溫段線性度好、測溫精度較1、溫敏二極管

PN結(jié)正向電壓與溫度間具有很好的線性關(guān)系。如砷化鎵和硅溫敏二極管在一定溫度范圍的溫度表現(xiàn)為良好的線性。

硅二極管用于溫度測量具有簡單價廉的優(yōu)點，但它的一致性較差。輸出電壓表示為：

式中：VG為禁帶寬度，T為絕對溫度。電流一定時，K為常數(shù)。PN結(jié)兩端的電壓與溫度成線性關(guān)系。電氣檢測技術(shù)51、溫敏二極管PN結(jié)正向電壓與溫度間具有很好的線性關(guān)

需注意的是：通過PN結(jié)的工作電流不能過大，一般工作電流選在100～300mA內(nèi)，否則會因工作電流太大導致二極管自身溫度升高而產(chǎn)生測量誤差。且對不同的工作電流，溫敏二極管電壓—溫度曲線有所不同，但電壓—溫度曲線在量程內(nèi)總呈線性關(guān)系。

電氣檢測技術(shù)6需注意的是：通過PN結(jié)的工作電流不能過大，電氣檢測技2、溫敏三極管硅晶體三極管基極與發(fā)射極間電壓約有-2mV/℃的溫度系數(shù)。在-50℃～+200℃范圍內(nèi)接近線性。利用三極管的這種特性可以制成高精度、超小型溫度傳感器，它能大批量生產(chǎn)，價格低廉。利用集成電路制作工藝，可與放大電路一起制成集成化溫度傳感器，近年來發(fā)展很快。電氣檢測技術(shù)72、溫敏三極管硅晶體三極管基極與發(fā)射極間電壓約有-2m

由晶體管特性知道，硅三極管基極與發(fā)射極間電壓與絕對溫度和集電極電流之間有如下關(guān)系：

為硅單晶的禁帶寬度；為與基極偏壓有關(guān)的常數(shù)；為由基區(qū)少數(shù)載流子的溫度特性決定的常數(shù)為單位電荷為玻耳茲曼常數(shù)當工作電流IC恒定時，一定范圍內(nèi)，Ube與絕對溫度呈線性關(guān)系。溫度較高時非線性誤差較嚴重。電氣檢測技術(shù)8由晶體管特性知道，硅三極管基極與發(fā)射極間電氣檢測技術(shù)基本測量電路

電氣檢測技術(shù)9基本測量電路電氣檢測技術(shù)9

常溫下，運放使三極管傳感器通過一恒定集電極電流IC，IC由電源E和電阻RC確定，電容C1和電阻R1用來消除寄生振蕩。當IC=100uA時，輸出電壓約在580～620mV。隨著環(huán)境溫度的變化，也略有變化。當溫度從-40℃變化到+50℃時，Ube從700mV變化到300mV左右，電氣檢測技術(shù)10常溫下，運放使三極管傳感器通過一恒定集電電氣檢測三極管溫度傳感器常用于環(huán)境溫度變化不大的領(lǐng)域。例工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，作為測溫或控溫元件。傳感器通常標定精度為土0.1℃，在特殊場合可得到土0.01℃的標定精度。電氣檢測技術(shù)11三極管溫度傳感器常用于環(huán)境溫度變化不大的電氣檢測技術(shù)二、集成溫度傳感器集成溫度傳感器是把溫度傳感器（如熱敏晶體管）與放大電路等后續(xù)電路，利用集成化技術(shù)制作在同一芯片的功能器件。

電氣檢測技術(shù)12二、集成溫度傳感器集成溫度傳感器是把溫度傳感器（如熱集成溫度傳感器具有以下一些特點：

1、輸出信號大，與溫度有較好的線性關(guān)系；

2、小型化、成本低、使用方便、測溫精度高；集成溫度傳感器的類型(按輸出量不同)：

1、電壓型(靈敏度一般為10mV/℃)2、電流型(靈敏度一般為1uA/℃)

電氣檢測技術(shù)13集成溫度傳感器具有以下一些特點：電氣檢測技術(shù)13

集成溫度傳感器具有絕對零度時輸出電量為零的特性，利用這一特性可制作成絕對溫度測量儀。由于感溫元件與全部其它電路都集中在一個小芯片上，傳感器的功耗及自熱效應(yīng)，工作溫度范圍內(nèi)電路元件的熱穩(wěn)定性，都影響傳感器性能，在設(shè)計、工藝和封裝上采用適當措施加以克服。

電氣檢測技術(shù)14集成溫度傳感器具有絕對零度時輸出電量為零電氣檢測集成溫度傳感器工作溫度范圍是-50～150℃，具體數(shù)值因型號和封裝形式不同而有所不同。集成電路溫度傳感器除了作測溫元件外，還常用于溫度補償元件和溫度控制元件。

電氣檢測技術(shù)15集成溫度傳感器工作溫度范圍是-50～150℃，電氣檢1、電壓型集成溫度傳感器

1)四端電壓輸出型包括溫度敏感部分、參考電壓源部分和運放三部分，典型的產(chǎn)品如NS的AN6701。

AN6701的測量范圍為：-10～80℃，輸出的電壓靈敏度為：110mV/℃。電氣檢測技術(shù)161、電壓型集成溫度傳感器1)四端電壓輸出型電氣檢測輸出極性反轉(zhuǎn)的電路

電氣檢測技術(shù)17輸出極性反轉(zhuǎn)的電路電氣檢測技術(shù)17應(yīng)用電路電氣檢測技術(shù)18應(yīng)用電路電氣檢測技術(shù)182)三端電壓輸出型三端電壓輸出型集成溫度傳感器是一種精密易于定標的溫度傳感器，如LM135，LM235，LM335等?；緶y溫電路如圖：將測溫元件兩端與一個電阻串聯(lián)，加上適當?shù)碾妷嚎傻玫届`敏度為10mV/K，直接正比絕對溫度的輸出電壓。傳感器工作電流由電阻R和電源電壓決定：電氣檢測技術(shù)192)三端電壓輸出型三端電壓輸出型集成溫度傳感器是一如果傳感器通過外接電位器的調(diào)節(jié)．可完成溫度定標，以減小因工藝偏差而產(chǎn)生的誤差，接法如圖所示：例：25℃下，調(diào)節(jié)電位器使輸出電壓為2.98V，經(jīng)標定，傳感器靈敏度達到設(shè)計值10mV/K要求，從而提高測溫精度。

電氣檢測技術(shù)20如果傳感器通過外接電位器的調(diào)節(jié)．可完成溫電氣檢測技術(shù)

在三端電壓型溫度敏感元件之后，配以一定增益的比例放大器，如增益為12.5，則運放輸出靈敏度為125mV/℃。若被測范圍為0-80℃，則運放輸出電壓為0～10V。電路如圖：

電氣檢測技術(shù)21在三端電壓型溫度敏感元件之后，配以一定增電氣檢測技術(shù)2、電流型集成溫度傳感器的應(yīng)用電路電流型集成溫度傳感器，在一定溫度下，相當于恒流源，具有不易受接觸電阻、引線電阻、噪聲的干擾，能實現(xiàn)長距離(如200m)傳輸，同樣具有很好的線性特性。

AD公司的AD590就是典型的例子。

1)AD590的主要性能：電源電壓：4～30V

工作溫度；-55℃-150℃

溫度靈敏系數(shù)：長期漂移：土0.1℃／month電氣檢測技術(shù)222、電流型集成溫度傳感器的應(yīng)用電路電流型集成溫度傳感測溫電路電氣檢測技術(shù)23測溫電路電氣檢測技術(shù)23測溫電路的設(shè)計電路的設(shè)計要考慮：

(1)將電流轉(zhuǎn)換成電壓；

(2)將絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標。

AD590L為電流元件，溫度升高1K，電流增1uA，將AD590L電流通過一個10K的電阻，轉(zhuǎn)換成10mV/K，要求這個的電阻精確，因此用一個12K(R1)的電阻與一個電位器(RPl)并聯(lián)，以準確調(diào)節(jié)到10K。

A1接成電壓跟隨器，增加信號的輸入阻抗。A1輸出為0.01V/K。便于將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。電氣檢測技術(shù)24測溫電路的設(shè)計電路的設(shè)計要考慮：電氣檢測技術(shù)24

A2把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標。給A2的同相端輸入一個恒定的電壓，如1.235V。將這個電壓放大到2.73V，A2的閉環(huán)增益取：調(diào)節(jié)RP2即可得到這個值。取A1與A2輸出端間的電壓，轉(zhuǎn)換成攝氏溫標。電氣檢測技術(shù)25A2把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標。給A2的同相端電氣檢

例如：將AD590放入273K(即0℃)的冰水溶液中，R1上兩端的壓降為：這是一個對地的電壓。

A2的對地輸出電壓亦為2.73V。因此A1與A2兩輸出端子間的電壓為：

2.73-2.73＝0V，對應(yīng)于0℃。電氣檢測技術(shù)26例如：將AD590放入273K(即0℃)的冰水溶液電調(diào)試1)電路中所有電阻取金屬膜電阻，因它溫度系數(shù)較小，溫度變化對測溫的影響不大；

2)R1和電位器RP1并聯(lián)，調(diào)節(jié)RP1使并聯(lián)阻值為1