現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第5章 溫度傳感器

1、 現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 趙學(xué)增 編著 清華大學(xué)出版社第五章 溫度傳感器5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 5.2 紅外溫度傳感器 5.3 光纖溫度傳感器溫度傳感器 溫度是表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的一個基本物理量。 分子物理學(xué)：溫度反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度。各種材料的性能都隨溫度變化，從原理上講，幾乎所有材料都能構(gòu)成溫度傳感器。但是由于其本身應(yīng)具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，對溫度以外的物理變化不敏感，不易發(fā)生熱能引起的化學(xué)變化的優(yōu)點。故溫度傳感器一般是利用材料的熱敏特性來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。 本章重點介紹半導(dǎo)體溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器、光纖溫度傳感器。溫度傳感器 根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度基本測量

2、方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。 接觸式：感溫元件直接與被測對象相接觸，二者進(jìn)行充分的熱交換，使兩者具有同一溫度，達(dá)到測量的目的。（熱傳導(dǎo)測溫） 非接觸式：利用物質(zhì)的熱輻射原理，測溫敏感元件不與被測介質(zhì)接觸，通過輻射和對流實現(xiàn)熱交換，達(dá)到測量的目的。（熱輻射測溫） 溫度傳感器 半導(dǎo)體材料的電阻率對溫度十分敏感，可利用半導(dǎo)體材料電阻率隨溫度變化的特征制成半導(dǎo)體溫度傳感器，可分為單晶非結(jié)型、PN結(jié)型、集成溫度傳感器等。5.1.1單晶非結(jié)型溫度傳感器 由半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特征可知，半導(dǎo)體的電阻率主要取決于載流子的濃度和遷移率，而載流子的濃度和遷移率的變化又與溫度的變化密切相關(guān)。 5.1 半導(dǎo)體

3、溫度傳感器 5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 1.遷移率與溫度的關(guān)系（如書上的圖5-1、5-2）2.電阻率與溫度的關(guān)系載流子產(chǎn)生3.硅溫度傳感器的結(jié)構(gòu)4.電阻溫度特性雜質(zhì)電離雜質(zhì)電離本征激發(fā)本征激發(fā)散射結(jié)構(gòu)電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射晶格散射晶格散射5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 5.1.2 PN結(jié)型溫度傳感器 半導(dǎo)體材料的PN結(jié)的反向漏電流和正向電壓與溫度變化密切相關(guān)，利用某些性能參數(shù)對溫度的依賴性，可實現(xiàn)溫度的檢測、控制和補償。1.二極管溫度傳感器 原理： 恒流條件下，二極管電壓與溫度呈線性關(guān)系 5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 02060100140180220260300FJT1000(100 A)FD300(

4、100 A)FD200(100 A)FD200(10 A)溫 度 / K正方向電壓 / V圖5-8 硅二極管正向電壓的溫度特性 硅二極管正向電壓的溫度特性如圖所示。顯而易見, 在40300K之間有良好的線性。當(dāng)正向電流一定時,二極管的種類不同,其溫度特性也不同,正向電流變化時,溫度特性也隨之變化。5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 2.三極管溫度傳感器 如圖5-10，可以看出，它比二極管表現(xiàn)出更好的電壓溫度特性，所以它可以制成高精度的、超小型的溫度傳感器，其測溫范圍為-50-200 左右。5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 5.1.3 集成溫度傳感器 集成電路（IC， integrated circuit ）溫度

5、傳感器是近期開發(fā)的，把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等用集成化技術(shù)制作在同一基片上而成的，集傳感與放大為一體的功能器件。這種傳感器輸出特性的線性關(guān)系好，測量精度也比較高，使用方便，越來越受到人們的重視。它的缺點是靈敏度較低。 IC溫度傳感器按輸出方式可分為電壓型、電流型、頻率型。5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 IC溫度傳感器的設(shè)計原理是：對于集電極電流比 一定的兩個晶體管,其UBE之差UBE與溫度有關(guān)。 1. 1.對管差分電路對管差分電路 2. 2.電流輸出型溫度傳感器電流輸出型溫度傳感器 3. 3.電壓輸出型溫度傳感器電壓輸出型溫度傳感器12lnCBECkTIUqI5.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 21傳 感

6、器3VV4輸 入輸 出50 k10 mV / K放 大 器圖5-20 電壓輸出型IC溫度傳感器放大器的原理框圖 5.2 紅外溫度傳感器 任何物體只要其自身及周圍的溫度不是絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射熱量，這種能量叫輻射能。當(dāng)與周圍的溫度相等時，輻射熱量過程處于動平衡狀態(tài)。 這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，它不需要任何物質(zhì)作為媒介（真空中也傳播）。物體溫度越高，粒子被激勵的越強烈，輻射能量越大。5.2 紅外溫度傳感器 輻射能投射到物體表面上；一部分被物體吸收，一部分被反射，另一部分透過物體。 設(shè)外界投射到物體表面上的總能量為Q0，吸收QR，反射QP，透射Qt。比

7、值QR/Q0，QP/Q0，Qt/Q0，分別稱作該物體的吸收率，反射率和透射率。依次為，根據(jù)能量守恒定律，1，當(dāng)1，=0，該物體稱為黑體，能量全被吸收。 （1）紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。但實際上它和其他任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射。紅外線是位于可見光中紅光以外的光線，故稱為紅外線。它的波長范圍大致在0.751000m的頻譜范圍之內(nèi)。5.2 紅外溫度傳感器遠(yuǎn)紫外遠(yuǎn)紫外近紫外近紫外可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外極遠(yuǎn)紫外0.01105波長/m 相對應(yīng)的頻率大致在4101431011 Hz之

8、間，紅外線與可見光、紫外線、x射線、射線和微波、無線電波一起構(gòu)成了整個無限連續(xù)的電磁波譜。 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。5.2 紅外溫度傳感器（2）紅外測溫的特點非接觸測溫非接觸測溫。反應(yīng)速度快反應(yīng)速度快。5.2 紅外溫度傳感器靈敏度高靈敏度高。準(zhǔn)確度較高準(zhǔn)確度較高。測溫范圍廣測溫范圍廣。應(yīng)用范圍廣應(yīng)用范圍廣。5.2 紅外溫度傳感器 紅外測溫傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外敏感器件、放

9、大器和顯示系統(tǒng)組成。微電機驅(qū)動調(diào)制盤使入射光的輻射功率按一定規(guī)律變化，把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，得到易于處理的交流信號輸出。 5.2 紅外溫度傳感器 5.2.1紅外探測器 紅外探測器吸收紅外輻射后，先引起溫度升高。然后由于溫度升高，伴隨著發(fā)生某種物理性質(zhì)的變化，如溫度升高，體積膨脹等。通過測量這些物理性質(zhì)的變化就可以確定被吸收的紅外輻射的能量或者功率。 紅外輻射的熱效應(yīng)可以用溫度或體積的變化來度量，稱為熱電探測器。熱電探測器使入射輻射能作用于晶格。 紅外輻射作用于敏感元件上，產(chǎn)生光電效應(yīng)，引起電學(xué)性質(zhì)變化，輸出電壓信號，稱作光電探測器。 熱電探測器與光電探測器相比： 從光譜響應(yīng)角度看，熱電探測

10、器對各種波長都有響應(yīng)，光電探測器是一種對波長有選擇的探測器，僅對具有足夠能量的光子有響應(yīng)，即存在一個波長極限。光電探測器只對它的長波限以下的一段波長區(qū)間有響應(yīng)。光電探測器有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)速度，但響應(yīng)光譜不及熱探測器寬。5.2 紅外溫度傳感器5.2 紅外溫度傳感器 5.2 紅外溫度傳感器 5.2.2光量子型紅外傳感器 由光電探測器作為敏感元件可以組成光量子型傳感器，它是利用光電效應(yīng)制成的,因而與波長有關(guān)。光量子型傳感器可以分為光導(dǎo)型、光電（伏特）型、光電磁型、肖特基型。5.2 紅外溫度傳感器 磁場電場I金屬半導(dǎo)體NP紅外光紅外光I偏置電流(a)(b)(c)(d )圖5-26光量子型紅外

11、傳感器示意圖(a)光導(dǎo)型；(b)光電型；(c）光電磁型;（d）肖特基型5.2 紅外溫度傳感器光導(dǎo)型結(jié)構(gòu)是電阻體光照后引起阻值變化;光電型為一PN結(jié)二極管,其耗盡層上由于光照射生成電子-空穴對,檢測由此產(chǎn)生的光電流;光電磁型在加上電場及磁場的同時,由于光照而產(chǎn)生與光強成比例的表層電子-空穴對，向體內(nèi)擴(kuò)散，由于洛倫茲力產(chǎn)生電荷積累效應(yīng);肖特基型是根據(jù)金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘隨光照而變化的原理制備的。 5.2 紅外溫度傳感器 5.2.3光電池 除光導(dǎo)型外，光電型光電探測器，通常稱作光電池。光電池按其結(jié)構(gòu)分為PN結(jié)型、肖特基型、異質(zhì)型。硅光電池應(yīng)用最為廣泛，有高吸收特性、高量子效率。響應(yīng)波段從

12、可見光到1m，探測更長波則用鍺光電池和銦砷化鎵(InGaAs)光電池等。本節(jié)課主要介紹PN結(jié)型光電池和雪崩型光電池這兩種。 5.2.2 薄膜熱電偶 熱探測器有輻射熱電偶、熱電堆、熱敏電 阻及熱釋電探測器。 薄膜熱敏器件是20世紀(jì)80年代隨著集成電路技術(shù)中的薄膜工藝發(fā)展，以及人們對溫度信息獲取向超小型化發(fā)展而產(chǎn)生的，它替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型溫度傳感器，適合于物體表面和小間隙溫度檢測。5.2 紅外溫度傳感器5.2 紅外溫度傳感器 與光電探測器相比，熱電探測器是利用光輻射引起探測器溫度上升，使與溫度相關(guān)的物理量發(fā)生變化進(jìn)行測量的。 溫度升高是一種能量累積的過程，響應(yīng)速度較慢，與入射光子能量大小有關(guān)，對光譜響

13、應(yīng)沒有選擇，對全部的波長有相同的響應(yīng)度。 1.薄膜熱電偶工作原理 薄膜熱電偶是根據(jù)塞貝克效應(yīng)，通過測量由兩種薄膜材料組合而產(chǎn)生的熱電動勢來獲取被測溫度的，如圖P181所示： 塞貝克（Seebeck）效應(yīng)，又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。5.2 紅外溫度傳感器5.2 紅外溫度傳感器5.2 紅外溫度傳感器 2.BMB-I薄膜熱電偶溫度傳感器 圖5-34 BMB-I薄膜熱電偶。它以陶瓷薄片作基體，厚度0.6mm，耐高溫1600。在陶瓷基片有兩0.2mm小孔。將0.2標(biāo)準(zhǔn)NiCrNiSi熱電偶絲分別嵌入小孔，使其與小孔過渡配合，在陶瓷基

14、片背面用高溫?zé)o機絕緣膠固定熱電偶絲，經(jīng)過研磨使熱電偶端面與陶瓷基片正面平齊，在其上濺射鉭（Ta）薄膜，厚度0.7m，在鉭膜片（吸收光輻射）上鍍保護(hù)膜Si3N4（厚度0.1m）。 5.2 紅外溫度傳感器圖5-34 BMB-I薄膜熱電偶 其動態(tài)響應(yīng)時間為50s，線性度好，可在1200下長期工作，可快速檢測鍛模具外壁面、燃?xì)鈩恿C壁面的瞬變溫度，此外還可廣泛應(yīng)用于高空大氣環(huán)境的測量以及沸騰換熱表面瞬態(tài)溫度的快速檢測等。 5.2 紅外溫度傳感器 5.2.5 熱電堆 熱電堆相當(dāng)于若干薄膜熱電偶串接，結(jié)電壓相加，提高測溫的響應(yīng)度。由于半導(dǎo)體材料的賽貝克系數(shù)比金屬材料大，所以它更適合作溫度傳感器。早先的紅外

15、熱電堆探測器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)。隨著微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提出了微電子機械系統(tǒng)的概念，進(jìn)而發(fā)展了微機械紅外熱電堆探測器。 5.2 紅外溫度傳感器 5.2 紅外溫度傳感器 1.熱電堆結(jié)構(gòu) 為建立熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)的有效熱傳導(dǎo)，需要構(gòu)建一定的隔熱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在主要通過薄膜來實現(xiàn)。應(yīng)用的薄膜結(jié)構(gòu)有兩類，即懸臂梁結(jié)構(gòu) (圖)和 圓形薄膜結(jié)構(gòu)(圖)。235.2 紅外溫度傳感器 懸臂梁則是指周圍為氣氛介質(zhì)所包圍，一端固定、一端懸空的膜結(jié)構(gòu)，其中膜亦為復(fù)合介質(zhì)膜。熱電堆、熱結(jié)區(qū)以及紅外吸收區(qū)都在膜上。熱結(jié)位于紅外吸收區(qū)附近,當(dāng)吸收紅外

16、輻射之后,此處即成為高溫區(qū)域；冷結(jié)區(qū)位于硅襯底上,經(jīng)導(dǎo)熱性良好的單晶硅將熱迅速散發(fā),形成低溫區(qū)域。 其中圓形薄膜是指熱堆的支撐膜為整層的復(fù)合介質(zhì)膜，一般為氮化硅與氧化硅復(fù)合膜。 從隔熱效果來說，懸梁更具優(yōu)勢，因為這種膜結(jié)構(gòu)的周圍是導(dǎo)熱性能很差的氣氛介質(zhì)(如空氣)，因此熱耗散小，熱阻高，隔熱效果好，同時吸收的熱可以沿著膜的方向，也就是熱電偶對的方向作有效傳導(dǎo)，故熱電轉(zhuǎn)換效率較好，靈敏度高；而對封閉膜而言，吸收紅外輻射后，熱可以沿著介質(zhì)支撐膜傳播，而并不完全沿著熱偶對傳播，故熱耗散較大,熱電轉(zhuǎn)換效率低，靈敏度小。5.2 紅外溫度傳感器 但從工藝工藝制造過程以及成品率成品率角度來說，封閉膜更具優(yōu)勢，

17、因為這種膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于膜與基體處處相連，因此受應(yīng)力影響小，制造過程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造；而懸梁與基體間只通過固支一端相連，另一端懸空，因此受應(yīng)力的影響顯著，制造過程中膜容易發(fā)生翹曲或破裂，故成品率較低，不易制造。這些薄膜結(jié)構(gòu)都是利用硅的各向異性腐蝕而得到的，腐蝕孔呈金字塔型。 5.2.3 熱電堆 從上述分析可以看出，懸梁結(jié)構(gòu)和封閉膜結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，將這兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，就可以集中這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，這就是斜拉懸梁支撐膜結(jié)構(gòu)。5.2.3 熱電堆5.2 紅外溫度傳感器 5.2.6熱釋電紅外傳感器 熱釋電元件和壓電陶瓷一樣,都是鐵電體,如鈮酸鍶鋇、鈦酸鉛、鈮酸鉭等,除具有壓

18、電效應(yīng)外,在輻射能量照射下也會放射出電荷。經(jīng)高輸入阻抗的放大電路放大之后,可得到足夠大的電信號。但是在連續(xù)不斷的照射下,它并不能產(chǎn)生恒定的電動勢,必須對輻射進(jìn)行調(diào)制,使成為斷續(xù)輻射,才能得到交變電動勢。因此,應(yīng)該用交流放大電路。熱釋電元件的響應(yīng)時間短,通常把它和場效應(yīng)管封裝在同一外殼里,輻射經(jīng)鍺或硅窗口射入,由場效應(yīng)管阻抗變換后與放大電路配合。5.2 紅外溫度傳感器1.工作原理 熱釋電紅外傳感器是利用強電介質(zhì)在溫度變化時，自發(fā)極化產(chǎn)生變化，表面電荷產(chǎn)生微小變化這種熱釋電性來測量溫度變化的。其結(jié)構(gòu)和電路如圖5-40所示。 2.熱釋電紅外傳感器5.2 紅外溫度傳感器硅窗熱釋電元件場效應(yīng)管DSG(a

19、)(b)10 M10 k圖圖5-40 5-40 熱釋電輻射傳感器結(jié)構(gòu)及電路圖熱釋電輻射傳感器結(jié)構(gòu)及電路圖 光纖溫度傳感器分為傳光型（或稱傳輸型，非功能型）和傳感型（或稱敏感型，功能型）兩類。 傳光型：利用光纖傳輸光信號，在光纖的一個端面上配置溫度敏感元件，并與光纖耦合，構(gòu)成傳光型光纖溫度傳感器。 傳感型：利用光纖本身物理參數(shù)隨溫度變化而變換的特性，作為敏感元件構(gòu)成傳感型光纖溫度傳感器。5.3 光纖溫度傳感器 傳光型對溫度檢測靈敏度較低，但可靠性高，其中熒光吸收，熱輻射類光纖溫度傳感器已達(dá)到實用水平。 傳感型靈敏度高，但對溫度以外的機械量變化（如壓力，振動等）也很敏感，抗干擾能力差，穩(wěn)定性差。5

20、.3 光纖溫度傳感器 5.3.1 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型） 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜隨溫度變化而制成的。使用GaAs砷化鎵半導(dǎo)體材料作為溫度敏感元件，組成傳感頭部分，采用雙光源系統(tǒng)，引入?yún)⒖脊庠矗行擞捎诠饫w間的連接所產(chǎn)生的微小軸向或橫向位移誤差對測量結(jié)果的影響，大幅度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5.3 光纖溫度傳感器5.3 光纖溫度傳感器 5.3.1 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型） 由發(fā)光管穩(wěn)壓電源驅(qū)動砷化鋁鎵AlGaAs、砷磷化銦鎵InGaAsP 兩發(fā)光二極管發(fā)光，控制電路控制光開關(guān)分時接收來自信號光源(AlGaAs)與參考光源( InGaAsP) 發(fā)出的光束，首

21、先是讓信號光通過，探頭中的GaAs 材料對光有吸收作用，透射光強與溫度有關(guān)。 5.3.1 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型） 然后是參考光通過，經(jīng)過的路徑和前面完全一樣，只是由于探頭中的GaAs 材料對它來說是完全透明的。兩光束通過光纖傳輸后經(jīng)光探測器把參考光束和信號光束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)前置放大、濾波后，通過A/ D 接口到單片機，經(jīng)處理后輸出顯示。5.3 光纖溫度傳感器 5.3.1 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型） 光探頭是由半導(dǎo)體材料GaAs 制作，其厚度約100m ，兩邊拋光，鍍增透膜，探頭與光纖芯的連接如下圖所示。5.3 光纖溫度傳感器 5.3.1 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型） 為了排除干

22、擾，提高測量精度和穩(wěn)定性，特別加入了一束參考光，即另外一個半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其發(fā)光的光譜曲線如圖中的I2 所示。由于它的光譜在砷化鎵GaAs 材料的透過率曲線右邊，砷化鎵GaAs 材料對它不吸收，幾乎完全透過，溫度的變化對它的透過也幾乎無影響。因此，可以把它作為參考光，來消除外界干擾和內(nèi)部部件的老化的影響。5.3 光纖溫度傳感器 5.3.2 熒光衰變式光纖溫度傳感器 熒光材料原子受到某一合適波長光的輻射而被激發(fā)時，發(fā)出輻射熒光。利用熒光物質(zhì)所發(fā)出的熒光衰變時間隨溫度變化的特性可以制成溫度傳感器。 將熒光物質(zhì)均勻涂在被測物體表面上或使其與半導(dǎo)體材料摻雜。用輸入光纖傳輸激勵光，激勵被測物體發(fā)出熒光

23、，利用晶體的熒光衰變時間來控制激勵光源調(diào)制頻率。當(dāng)溫度變化時，熒光衰變時間發(fā)生變化，從而改變了光源調(diào)制頻率，若測出頻率即可測出溫度。 5.3光纖溫度傳感器（傳光型）5.3光纖溫度傳感器（傳光型） LED作為光源，光源發(fā)出的激發(fā)光（在一個頻率上振蕩）透過透鏡2進(jìn)入濾光器3，把長波部分濾去，然后經(jīng)分光鏡4和透鏡5注入光纖射向晶體，激發(fā)熒光。返回的熒光由分光鏡耦合到濾光鏡7上。濾光器7的作用是抑制散射激勵光。 熒光經(jīng)過透鏡8聚焦進(jìn)入探測器9轉(zhuǎn)換成電信號。此信號經(jīng)放大器10，相移器11和幅度控制器12，最后反饋到調(diào)制器1上控制LED的發(fā)光頻率。由時標(biāo)計算器13測出光源（調(diào)制后）振動頻率，即可確定溫度。 5.3光纖溫度傳感器（傳光型）5.3光纖溫度傳感器（傳光型）5.3.3輻射式光纖溫度傳感器 1.測溫探頭 黑體探頭、光導(dǎo)棒探頭、透鏡測溫探頭 2.光纖高溫傳感器（P190） 5.3.4 折射率調(diào)制式光纖溫度傳感器（傳感型） 傳感型光纖