最新半導(dǎo)體敏感元件(熱敏元件與溫度傳感器)

1、沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué) 熱敏元件與溫度傳感器熱敏元件與溫度傳感器沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)本章主要內(nèi)容1.概述2.熱電偶3.熱電阻4.半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻 5.硅電阻溫度傳感器6.半導(dǎo)體熱敏二極管7.集成溫度傳感器沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)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(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)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。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué) 溫度 分類接觸測溫非接觸測溫?zé)彷椛錅y溫?zé)醾鲗?dǎo)測溫?zé)嶙枋綗犭娛浇?屬熱電阻半導(dǎo)體半導(dǎo)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

2、器 測量方法1.概述熱敏二極管熱敏三極管 溫度傳感器沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)2.1 工作原理（熱電效應(yīng)，或稱為賽貝克效應(yīng)）兩種不同導(dǎo)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）ttaadttte0),(0a-湯姆遜系數(shù)baabnnqktteln)( 接觸電勢（珀爾貼電勢）不同導(dǎo)體自由電子密度不同擴(kuò)散電勢 同一導(dǎo)體兩端溫度不同電子遷移（高 低） 電勢 2.熱電偶電動勢沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)若兩種導(dǎo)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)()()()()(0000ttetettetetteabababab，00lnl

3、n0ttaabttbbadtnnqktdtnnqktttabattbbadtnnqktdtnnqkt00lnln00000)(ln()(lntabbatabbadtnnqktdtnnqkt=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(dǎo)體a和b的材料有關(guān)，與冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)2.2熱電偶基本定律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。bba t2 t1 t3 aab eab（t1, t3）=eab（t1, t2）+eab（t2, t

4、3）沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)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(guān)系列成表格冷端為0 沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)a) 普通熱電偶：結(jié)構(gòu)：1-熱電極 2-絕緣套管 3-保護(hù)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(hù)套c) 薄膜型熱電偶：2.熱電偶2.4 熱電偶結(jié)構(gòu) 特點：細(xì)長(13mm)，可以彎曲，撓性好，強(qiáng)度高測端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快(0.01s)。具有熱容量小,

5、 反應(yīng)速度快等的特點, 熱相應(yīng)時間達(dá)到微秒級。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)2.熱電偶（thermocouple）2.4 熱電偶結(jié)構(gòu) 鎧裝熱電偶表面溫度熱電偶沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)2.5 熱電偶的冷端補償 熱電勢:a 0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)()(0tftfe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沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)冷端溫度補償方法：2.熱電偶設(shè)：冷端溫度恒為t0（t00）被測溫度為 t 修正公式)0 ,(),()0 ,(00tettet冷端 t0的熱電勢測量得出的熱電勢 被測溫度 t 的熱電

6、勢 將顯示儀表的機(jī)械零點調(diào)至t0處，相當(dāng)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(jī)械零點調(diào)整法 沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)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0630.74范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為)100(1 320ttcbtatrrt當(dāng)-190t0時1 20btatrrta=3.9684710-3/,b=-5.84710-7/2,c=-4.2210-12/4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

7、接近線性構(gòu)成：金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線圈沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)3熱電阻在-50180范圍內(nèi)，金屬銅的電阻值與溫度的關(guān)系為)1 (0trrt溫度0時的電阻值 :銅電阻溫度系數(shù)（4.2510-3- 4.2810-3/)銅電阻沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué) 熱電阻結(jié)構(gòu) 3熱電阻沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué) 鉑電阻溫度傳感器采用日本進(jìn)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(qiáng)，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(lǐng)域，與二次顯示表以及plc配合。 熱電阻結(jié)構(gòu) 3熱電阻沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)金屬氧化物為原料，采用陶瓷工藝制備的具有半導(dǎo)體特性的熱敏

8、電阻。4 半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻分類分類b正溫度系數(shù)熱敏電阻(ptc)a負(fù)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(guān)。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(guān)沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)4 半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻a負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(ntc)011exp0ttbrrntt0ln11ln0tntrttbr105104103102 0 -101030507085100120t/c電阻/ntc熱敏電阻器的電阻-溫度曲線 數(shù)學(xué)表達(dá)式 導(dǎo)電機(jī)理沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)（b）居里溫度以上（a）電子晶界居里溫度b 正溫度系數(shù)

9、熱敏電阻(ptc)4 半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻 實驗公式0exp0ttbrrptt0lnln0tptrttbrlnrtt 表示ptc熱敏電阻電阻-溫度曲線lnrr1lnrr2bpmrt1t2lnrr0lnrrt 導(dǎo)電機(jī)理總結(jié)：導(dǎo)電機(jī)理-多晶材料的晶粒間界處勢壘隨溫度變化。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)5 硅電阻溫度傳感器利用半導(dǎo)體材料電阻率隨溫度變化的特性進(jìn)行溫度測量。硅電阻率與溫度關(guān)系示意圖a 純半導(dǎo)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(dǎo)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)散射晶格散射沈 陽 工 業(yè) 大

10、 學(xué) 當(dāng)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(guān)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(dǎo)體pn結(jié)的正向壓降與溫度關(guān)系實現(xiàn)溫-電轉(zhuǎn)換。6半導(dǎo)體熱敏二極管本征載流子濃度與溫度的關(guān)系 ni=ct3/2exp(-eg0/2kt)對于理想pn結(jié)：)(2dpdannisnldnldaqniktqusffeiiktqvdpdannktqvsggebtnldnldeaqcti33)(ktquktqvffgebti3qktvudtdugff3fgfibtqktvu3ln300k，且硅管uf=0.65v時，kmvdtduf/2在強(qiáng)電離,小注入,vf大于幾個k

11、t/q時，沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)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100a的恒定電流。三極管c-b結(jié)短接用作熱敏二極管6半導(dǎo)體熱敏二極管 靈敏度 非線性誤差tusfw2靈敏度調(diào)節(jié)w1調(diào)零電阻qktvudtdugff3非線性誤差不僅與溫度有關(guān)，而且與正向電流有關(guān)。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)集電極電流i與vbe的關(guān)系:be1s1c1vktqexpiibe2s2c2vktqexpii12340ln)rr(1rrqktv(1)(2)(3)(4)集成電路對管溫度傳感器12c2c1be2be1berrlnqktiilnqktv-v

12、v)rr(1v)i-rv(v34be4c23bebe0rv7 ic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。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)be3s3c3vktqexpiibe4s4c4vktqexpii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=is4rilnqktv1belnqrkt2i0總結(jié)：i0與溫度具有良好的線性關(guān)系。改進(jìn)型集成電路對管溫度傳感器7 ic溫度傳感器 工作原理分析沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)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)）

13、，國內(nèi)同類產(chǎn)品sg590。器件電源電壓430v， 測溫范圍-50+150。7 ic溫度傳感器 ad590集成溫度傳感器沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)61be911riln8qktvvbet1,t3,t6構(gòu)成恒流源ic1= ic3= i1= 2 ic6ic10= ic7+ ic8= ic1=i1ic9= ic11= ic1=ic3ln8qrkt3i60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7 ic溫度傳感器a 主要電路分析 ad590集成溫度傳感器沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)kt標(biāo)定因子，為1a/。 i = kt tk ad590伏安特性曲線工作電壓：4v30vb) ad590伏安特性

14、電流型溫度傳感器7 ic溫度傳感器 550 150 273.2ai/ atc / cad590溫度特性曲線省略非線性項后則有:i=kttc273.2c) ad590溫度特性tc攝氏溫度；i 的單位為a。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)d) ad590的測量電路 ad590在溫度25（298.2k）時，理想輸出為298.2a，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(guān)系。 ad590 典型應(yīng)用電路(1)電流型溫度傳感器7 ic溫度傳感器ad590 典型應(yīng)用電路(2)沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué)電壓型集成溫度傳感器電路t3t5t4t2t1r1r2vccv0電壓型集成溫度傳感器7 ic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。ln11qrktir輸出電壓：ln120qktrrv 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(biāo)定簡單，使用方便，電路需要校準(zhǔn)，成本高。沈 陽 工 業(yè) 大 學(xué) 數(shù)字輸出溫度傳感器7 ic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