微傳感器與微執(zhí)行器4-1

1、 第四章第四章 熱傳感器與執(zhí)行器熱傳感器與執(zhí)行器 本章內(nèi)容：簡單介紹溫度傳感器的分類以本章內(nèi)容：簡單介紹溫度傳感器的分類以 及電阻式溫度傳感器的基本原理，然后以及電阻式溫度傳感器的基本原理，然后以 半導體溫敏二極管、晶體管和集成電路為半導體溫敏二極管、晶體管和集成電路為 主要對象，介紹半導體溫度傳感器的基本主要對象，介紹半導體溫度傳感器的基本 結(jié)構(gòu)、原理和溫度特性，最后簡單介紹半結(jié)構(gòu)、原理和溫度特性，最后簡單介紹半 導體制冷器。導體制冷器。 l第一節(jié)第一節(jié) 溫敏傳感器的分類溫敏傳感器的分類 l 定義：溫度傳感器就是利用金屬、半導 體等材料的熱敏特性或者PN結(jié)正向電壓 隨溫度變化的特性制成的溫度

2、敏感器件。 l用于制造溫敏傳感器的材料有導體、 半導體、電介質(zhì)、磁性材料、有機高分子 材料等。 l 溫度傳感器可以分成接觸式熱敏傳感器和非接溫度傳感器可以分成接觸式熱敏傳感器和非接 觸式熱敏傳感器兩大類。觸式熱敏傳感器兩大類。 l 接觸式熱敏傳感器包括：熱敏電阻類如半導體接觸式熱敏傳感器包括：熱敏電阻類如半導體 陶瓷熱敏電阻、鉑電阻、銅電阻等；陶瓷熱敏電阻、鉑電阻、銅電阻等；PNPN結(jié)熱敏傳結(jié)熱敏傳 感器如熱敏二極管、熱敏晶體管、集成電路溫度感器如熱敏二極管、熱敏晶體管、集成電路溫度 傳感器等。其它如熱電偶，由不同金屬絲組成的傳感器等。其它如熱電偶，由不同金屬絲組成的 溫差電偶。溫差電偶。 l

3、 非接觸式熱敏傳感器：非接觸式熱敏傳感器：MOSMOS場效應紅外探測器、場效應紅外探測器、 紅外吸收型溫度傳感器，光纖溫度計等。紅外吸收型溫度傳感器，光纖溫度計等。 l 各種類型的溫敏傳感器分類見圖各種類型的溫敏傳感器分類見圖4 41 1中的溫度中的溫度 傳感器分類。傳感器分類。 l半導體溫敏傳感器，以靈敏度高、體積小、半導體溫敏傳感器，以靈敏度高、體積小、 響應速度快、成本低、容易功能化集成化響應速度快、成本低、容易功能化集成化 等特點，得到廣泛應用。半導體溫度傳感等特點，得到廣泛應用。半導體溫度傳感 器的主要缺點是使用的溫度范圍較小。器的主要缺點是使用的溫度范圍較小。 l熱敏電阻器、熱敏電

4、阻器、PN結(jié)、集成式溫度傳感器等結(jié)、集成式溫度傳感器等 l第二節(jié)第二節(jié) 熱敏電阻器熱敏電阻器 l熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化的一類常用傳感熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化的一類常用傳感 器，其基本物理特性分為兩種：器，其基本物理特性分為兩種： l（1）負溫度系數(shù)）負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻，其阻值隨溫度熱敏電阻，其阻值隨溫度 上升呈指數(shù)下降；上升呈指數(shù)下降； l（2）正溫度系數(shù)）正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻，其阻值隨溫度熱敏電阻，其阻值隨溫度 上升呈非線性增大；上升呈非線性增大； l一、一、 NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻 l 負溫度系數(shù)熱敏電阻阻值隨溫度上升而下降，主要負溫度系數(shù)熱敏電阻阻

5、值隨溫度上升而下降，主要 以氧化鎳、氧化鋯、氧化錳等金屬氧化物成分經(jīng)混合，以氧化鎳、氧化鋯、氧化錳等金屬氧化物成分經(jīng)混合， 成型，燒結(jié)形成金屬氧化物半導體熱敏電阻。成型，燒結(jié)形成金屬氧化物半導體熱敏電阻。 l 工作機理工作機理：類似半導體載流子濃度與溫度的關(guān)系。：類似半導體載流子濃度與溫度的關(guān)系。 溫度很低時，大部分載流子被周期性的晶格勢阱俘獲，溫度很低時，大部分載流子被周期性的晶格勢阱俘獲， 此時電阻很大。當溫度升高時，被激發(fā)到導帶的載流此時電阻很大。當溫度升高時，被激發(fā)到導帶的載流 子數(shù)目增多，導致半導體內(nèi)載流子濃度和遷移率發(fā)生子數(shù)目增多，導致半導體內(nèi)載流子濃度和遷移率發(fā)生 變化，引起電阻

6、變化。熱敏電阻的溫度特性：變化，引起電阻變化。熱敏電阻的溫度特性： l (41) l (42) l式中式中R、R、R分別為任意溫度、基準溫度和極限溫度時的電分別為任意溫度、基準溫度和極限溫度時的電 阻值。阻值。 E為雜質(zhì)在半導體中的電離能，為雜質(zhì)在半導體中的電離能，B= 10005000K為特為特 征常數(shù)征常數(shù)(B=E /2k)。對上式微分可以到熱敏電阻的溫度系數(shù)。對上式微分可以到熱敏電阻的溫度系數(shù) ： l (43) e x p ()() 2 EB e x p k TT exp()exp() a a BBB RRR TTT 2 d RB d TT 圖圖43(a) NTC熱敏電阻器的溫度特性和熱

7、敏電阻器的溫度特性和V-I 特性特性 lNTC熱敏電阻的IV特性： l 小電流時，Rt呈歐姆特性；較大電流時因Rt自 身發(fā)熱使Rt下降，呈負溫度特性和負阻特性。 l二PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻 l 以鈦酸鋇類燒結(jié)體為基體，摻入少量稀土元素以鈦酸鋇類燒結(jié)體為基體，摻入少量稀土元素 （如二氧化釔等）控制原子價，使其成為多晶半（如二氧化釔等）控制原子價，使其成為多晶半 導體。導體。 l 導電機理導電機理：在低溫時，晶粒間的電子勢隨溫度在低溫時，晶粒間的電子勢隨溫度 升高而升高，導致電子遷移率下降，使電阻隨溫升高而升高，導致電子遷移率下降，使電阻隨溫 度升高而增大。當溫度升高到居里溫度以上時，度升高而增

8、大。當溫度升高到居里溫度以上時， 晶粒間界處的電子勢壘突然增高，電子遷移率迅晶粒間界處的電子勢壘突然增高，電子遷移率迅 速下降，熱敏電阻的阻值急劇增大。速下降，熱敏電阻的阻值急劇增大。 l 因此，PTC熱敏電阻的導電機理是因為多晶 材料的晶粒間界處勢壘隨溫度變化而變；當溫度 到達居里點時PTC熱敏電阻阻值突然變大是因為 半導體晶體在高溫下發(fā)生相變的緣故。 l 控制不同的摻雜，可以控制材料的居里點。 利用熱敏電阻的該特點，可以用PTC作為過熱限 流或保護電阻。PTC熱敏電阻的電阻溫度特性見 圖43c。 l 對于PTC熱敏電阻，摻入不同的雜質(zhì)，熱敏 電阻的溫度特性就有可能發(fā)生顯著變化。因此可 以通

9、過改變摻雜，來獲得不同溫度特性的熱敏電 阻。如圖中的鈦酸鍶鋇、鈦酸鉛鋇、鈦酸鋇三種 材料在不同配比下的電阻溫度特性。 l圖43(c) PTC熱敏電阻溫度特性 圖43（d） PTC熱敏電阻的導電機理 圖43（e） PTC熱敏電阻的導電機理 l第三節(jié)第三節(jié) 硅溫度傳感器硅溫度傳感器 l 包括利用硅材料電阻率隨溫度變化或者利用 PN結(jié)正向電壓的溫度特性制成溫度傳感器。 l一硅溫度傳感器的基本機理 l 半導體材料的電阻率主要取決于載流子濃度 與遷移率，這兩者均與溫度密切相關(guān)，它們與電 阻率的關(guān)系可表示為： l （44） l 對于P型和N型半導體，電阻率可以近似表示 為： 和 這表明半導體的電阻率主要取

10、決于載流子的濃度 和遷移率，而這兩者均與溫度密切相關(guān)。 1 np n qp q 1 p p q 1 n nq l（1）遷移率與溫度的關(guān)系）遷移率與溫度的關(guān)系 l 半導體中載流子的遷移率與載流子的散射機理 有關(guān)。對于鍺、硅等半導體材料， 主要散射機構(gòu)是 聲學波散射（晶格散射）和電離雜質(zhì)散射。聲學波 散射遷移率s和電離雜質(zhì)遷移率i 可表示為： l 和 l從式中可知，遷移率與溫度的關(guān)系如下： l式中A、B是常數(shù)，M*是載流子有效質(zhì)量，Ni是電 離雜質(zhì)濃度，T為絕對溫度。 *3 / 2 1 s q mA T 3 / 2 * i i Tq mB N 3/ 2 ,; SS TT 3/2 , ii TT l

11、而實際的半導體遷移率可表示為：而實際的半導體遷移率可表示為： l （45） l代入之后表達式為：代入之后表達式為： l （46） 低溫時，載流子遷移率主要受電離雜質(zhì)散射影響，低溫時，載流子遷移率主要受電離雜質(zhì)散射影響， T上升，上升，i 上升，上升，增大，電阻率下降；較高溫度時增大，電阻率下降；較高溫度時 晶格散射起主要作用，晶格散射起主要作用，T上升，上升， s下降，下降， 下降，下降， 電阻率上升。電阻率上升。 111 si *3/23/2 1 / i q mATBNT （2）電阻率與溫度的關(guān)系）電阻率與溫度的關(guān)系 a.對于本征半導體對于本征半導體，電阻率主要由本征載流，電阻率主要由本征載

12、流 子子 濃度濃度ni決定。在室溫附近，溫度每增加決定。在室溫附近，溫度每增加 8 度，硅度，硅 的的 ni 就增加一倍，電阻率降低一半；對于鍺材料，就增加一倍，電阻率降低一半；對于鍺材料， 溫度每增加溫度每增加12度，本征濃度增加一倍，電阻率降低度，本征濃度增加一倍，電阻率降低 一半。因此，在室溫附近，本征半導體電阻率隨溫一半。因此，在室溫附近，本征半導體電阻率隨溫 度增加而單調(diào)下降。度增加而單調(diào)下降。 l b.對于雜質(zhì)半導體對于雜質(zhì)半導體，既有雜質(zhì)電離和本征激，既有雜質(zhì)電離和本征激 發(fā)兩種因素，發(fā)兩種因素， 又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種機又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種機 構(gòu)，因此電阻率隨

13、溫度的變化關(guān)系更為復雜。當硅構(gòu)，因此電阻率隨溫度的變化關(guān)系更為復雜。當硅 的雜質(zhì)濃度一定時，電阻率與溫度的關(guān)系如圖的雜質(zhì)濃度一定時，電阻率與溫度的關(guān)系如圖45 所示。所示。 l 圖圖46給出硅中電子和空穴遷移率與雜質(zhì)濃度給出硅中電子和空穴遷移率與雜質(zhì)濃度 及溫度的關(guān)系。及溫度的關(guān)系。 AB段：段：溫度低于溫度低于100度，本征激發(fā)可以度，本征激發(fā)可以 忽略，載流子主要由電離雜質(zhì)提供，它隨溫度忽略，載流子主要由電離雜質(zhì)提供，它隨溫度 升高而增加；散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移升高而增加；散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移 率也隨溫度升高而增大，所以電阻率隨溫度升率也隨溫度升高而增大，所以電阻率隨溫度升

14、高而下降。高而下降。 l BC段：段：溫度繼續(xù)升高到溫度繼續(xù)升高到100度度200度范度范 圍，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，本征激發(fā)還不很明顯，圍，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，本征激發(fā)還不很明顯， 載流子基本不隨溫度變化，晶格振動散射上升載流子基本不隨溫度變化，晶格振動散射上升 為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以 電阻率隨溫度升高而增大。電阻率隨溫度升高而增大。 l C段段：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加， 大量本征載流子的產(chǎn)生遠遠超過遷移率減少對大量本征載流子的產(chǎn)生遠遠超過遷移率減少對 電阻率的影響。這時，本征激發(fā)成為主要因素，電阻

15、率的影響。這時，本征激發(fā)成為主要因素， 雜質(zhì)半導體的電阻率將隨溫度的上升而急劇下雜質(zhì)半導體的電阻率將隨溫度的上升而急劇下 降，表現(xiàn)出同本征半導體相似的特性。降，表現(xiàn)出同本征半導體相似的特性。 l圖45 硅電阻率與溫度關(guān)系曲線 l圖46硅中電子和空穴與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系 l 顯然，雜質(zhì)濃度越高，進入本征導電占優(yōu)勢 的溫度也就越高；材料的禁帶寬度越大，同一溫 度下的本征載流子濃度就越低，進入本征導電的 溫度就越高。溫度高到本征導電起主要作用時， 一般器件就不能正常工作，這就是器件的最高工 作溫度。鍺器件的最高工作溫度為100度，硅為 200度，砷化鎵可達450度。 l 對于圖46給出的載流子遷移

16、率與雜質(zhì)濃度 的關(guān)系曲線，可以知道載流子濃度增加，遷移率 下降。而對照兩張圖表的遷移率可以看出，電子 的遷移率明顯大于空穴的遷移率。這也是在許多 半導體器件的設(shè)計中，為什么要選用N型材料的 依據(jù)。 二、硅溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和制作工藝二、硅溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和制作工藝 （一）硅溫度傳感器的結(jié)構(gòu) 用N型硅半導體材料，制作一個利用硅體電阻隨 溫度變化特性的硅溫度傳感器。具體結(jié)構(gòu)是在N型半 導體上方特定區(qū)域進行N+擴散，引出歐姆接觸電極， 在襯底用歐姆接觸引出另一個電極（圖47）。 硅溫度傳感器的制作工藝流程：對N型硅拋光片 進行熱氧化，然后光刻氧化膜形成直徑約40微米的 N+擴散區(qū)，通過磷擴形成N+區(qū)，

17、經(jīng)蒸鋁或銀形成上 下電極，便制成硅溫度傳感器。 傳感器體電阻的大小與硅襯底材料的電阻率有 關(guān)，與N+區(qū)擴散深度有關(guān)。一般控制傳感器電阻值 在1K左右。 圖47 硅溫度傳感器結(jié)構(gòu) l 第四節(jié)第四節(jié) PN結(jié)溫度傳感器結(jié)溫度傳感器 l 利用PN結(jié)與溫度的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的傳感。有 溫敏二極管和溫敏晶體管等溫度傳感器。 l一、一、PN結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系 l PN結(jié)的IV關(guān)系如下: l l (48) l正偏時 遠大于1，上式簡化為： l l （49） (410) l上式表明，當電流密度J保持不變時，pn結(jié)的正向壓 降VF與溫度T成正比。 0 0 ()(1)(1) qVqV np

18、Pn KTKT S nP qD n qD p JeJe LL q V K T e q V K T S JJe ln() F S KTJ V qJ l對于PN+結(jié)，反向飽和電流Js可以表示成： l (411) l將（410）式對溫度進行求導，可得到： l (412) 而 (4-13) l (4-14) 2 30/ 30/ 0 ()() npoEgkT nin S nnAnA EgkT S qD n DnqD JqC T e LLNL N JT e 1 ()ln SFF F SS dJVJkkT JC TqJq JdT 020/30/ 00 2 1 3()() gEg kTEg kT S SS E

19、 dJ J T eJ T e dTkT 0/ 20/ 000 0 30/30/2 00 313 EgkT EgkT gSg SS EgkTEgkT SSS E J TeE dJJ T e J dTJ T ekJ T eT T k l將上兩式代入（412），得到： l l (4-15) l由此可見，VF隨溫度的變化率與PN結(jié)上的電壓成正比，與 絕對溫度成反比。溫度上升，VF下降，VFT呈線性關(guān)系。 l 在室溫附近，硅的PN結(jié)正向電壓隨溫度變化率約為 2mV/k，鍺的正向電壓變化率為1mV。 二、晶體管的溫度特性二、晶體管的溫度特性 l 對于NPN晶體管，通過集電極電流為 l （416） l式中

20、第一項是集電結(jié)的擴散電流，第二項是發(fā)射結(jié)的擴散電 流。 l 是基區(qū)電子電流。 0 0 3 () F g FF F Eg V E VVkq JC TTqqTT / () qVbc kTqVbe kT CS IIee 2 0 in Sw b A q A nD I Nd x l討論：（1）當發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，集電極電 流可近似表示為： l （417） l兩邊區(qū)對數(shù)，得到： l (418) l由上式可知，當Ic恒定時，Vbe與T呈線性關(guān)系。其溫度 變化率為： l （419） l（2）當集電結(jié)零偏（Vbc0或bc短接）時， l （420） lVbe與溫度的關(guān)系同二極管相仿，硅器件的Vbe隨溫度

21、的變化也為2mV/。 /qV bekT CS II e ln() C be S KTI V qI 0 / 1 ln gbe beCS SS EqV VIdIkkT TqIq IdTT / (1) qVbe kT CS IIe l三、三、PN結(jié)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)、工藝 l 用于制作溫敏二極管的半導體材料主要有鍺、 硅、砷化鎵、碳化硅等。 l 國產(chǎn)2DWM型溫敏二極管采用摻硼P型電阻 率約1歐姆的硅單晶，經(jīng)氧化、光刻、在1150度 高溫擴磷2小時，形成PN結(jié)；再 經(jīng) 減 薄 至 02mm，經(jīng)輕微腐蝕后，進行化學鍍鎳，并在 650度下真空燒結(jié)5分鐘，劃片、用杜美絲或鎳絲 作引線

22、，用鉛錫軟焊料在450500度下燒結(jié)形成 可靠的焊接，對管芯涂上保護材料經(jīng)封裝而成。 l l溫敏二極管的VFT的溫度特性在50150度 范圍內(nèi)，具有良好的線性關(guān)系。 l 對于實際的溫敏二極管，其正向電流除了 擴散電流外還有空間電荷區(qū)的復合電流和表面 復合電流成分，后兩種電流的存在使溫敏二極 管偏離理想情況。而溫敏晶體管雖然也存在上 述三種電流，但只有擴散電流到達集電極形成 集電極電流，其它兩種電流作為基極電流漏掉。 因此，溫敏晶體管的IeVbe關(guān)系曲線比溫敏二 極管的特性更符合理想情況，電壓溫度特性 曲線的線性更好。 l第五節(jié)第五節(jié) 電勢式溫度傳感器電勢式溫度傳感器 l熱電偶的測溫原理熱電偶的

23、測溫原理 l 將兩種導體或半導體的將兩種導體或半導體的a和和b的熱端連接在一起，當熱端與的熱端連接在一起，當熱端與 l冷端之間存在溫度差冷端之間存在溫度差T時，在兩個冷端之間就會產(chǎn)生開路電時，在兩個冷端之間就會產(chǎn)生開路電 l壓壓V。該效應稱為塞貝克效應。該效應稱為塞貝克效應。 l 由塞貝克效應可知，當熱電極材料一定時，熱電勢就僅與由塞貝克效應可知，當熱電極材料一定時，熱電勢就僅與 l兩接點的溫度有關(guān)：兩接點的溫度有關(guān)： l式中式中AB 稱塞貝克系數(shù)或熱電勢率，其值隨熱電極材料和兩接稱塞貝克系數(shù)或熱電勢率，其值隨熱電極材料和兩接 l點溫度而定。熱電偶就是利用熱電勢隨兩接點溫度變化的特性點溫度而定

24、。熱電偶就是利用熱電勢隨兩接點溫度變化的特性 l來測量溫度。當兩點溫度分別為來測量溫度。當兩點溫度分別為T和和T0時，回路熱電勢為：時，回路熱電勢為： l式中式中eab(T)、eab(T0)分別為接點的分塞貝克電勢，分別為接點的分塞貝克電勢， lA、B為兩種電勢電極材料。為兩種電勢電極材料。 0 (,) A BA B d ETTd T 00 0 ( ,)( )() T ABABabab T ET TdTeTeT 帕爾貼效應：帕爾貼效應：1834年年J.A.C帕爾帖發(fā)現(xiàn)，兩種不同帕爾帖發(fā)現(xiàn)，兩種不同 導體導體A和和B組成電路且通有直流電時，接頭處除焦組成電路且通有直流電時，接頭處除焦 耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一