半導(dǎo)體敏感元件熱敏元件與溫度傳感器

1、半導(dǎo)體敏感元件熱敏元件與溫度傳感器第1頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二本章主要內(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.集成溫度傳感器第2頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二1.概述 液體膨脹式溫度計(jì) 固體膨脹式溫度計(jì) 玻璃管溫度計(jì) 雙金屬溫度計(jì) 溫度最本質(zhì)的性質(zhì) 當(dāng)兩個(gè)冷熱程度不同的物體接觸后就會(huì)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。第3頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二 溫度 分類接觸測(cè)溫非接觸測(cè)溫?zé)彷椛錅y(cè)溫?zé)醾鲗?dǎo)測(cè)溫?zé)嶙枋綗犭娛浇?屬熱

2、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)式集成溫度傳感器 測(cè)量方法1.概述熱敏二極管熱敏三極管 溫度傳感器第4頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二2.1 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(gè)節(jié)點(diǎn)（A、B）溫度不同 溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）A-湯姆遜系數(shù) 接觸電勢(shì)（珀?duì)栙N電勢(shì)）不同導(dǎo)體自由電子密度不同擴(kuò)散電勢(shì) 同一導(dǎo)體兩端溫度不同電子遷移（高 低） 電勢(shì) 2.熱電偶電動(dòng)勢(shì)第5頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二若兩種導(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

3、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(shì)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)。第6頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二2.2熱電偶基本定律 中間導(dǎo)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(shì)不變。BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）第7頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二2.3 常用熱電偶材料材料實(shí)用使用測(cè)溫范圍分度號(hào)鉑鐒

4、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(shì)與熱端溫度之間關(guān)系列成表格冷端為0 第8頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二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(diǎn)：細(xì)長(13mm)，可以彎曲，撓性好，強(qiáng)度高測(cè)端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(0.01s)。具有熱容量小, 反應(yīng)速度快等的特點(diǎn), 熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微

5、秒級(jí)。第9頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二普通工業(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第10頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二2.5 熱電偶的冷端補(bǔ)償 熱電勢(shì):A 0恒溫法測(cè) 溫: 獲得T T0固定 T0=0（冷端）冷 端：干擾、波動(dòng) T00 誤差 冷端溫度補(bǔ)償冷端溫度補(bǔ)償方法：2.熱電偶適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用第11頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二冷端溫度補(bǔ)償方法：2.熱電偶設(shè)：冷端溫度恒為t0（t00）被測(cè)溫度為 t 修正公式冷端 t0的

6、熱電勢(shì)測(cè)量得出的熱電勢(shì) 被測(cè)溫度 t 的熱電勢(shì) 將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至t0處，相當(dāng)于在輸入熱電偶熱電勢(shì)之前就給顯示儀表輸入了電勢(shì)E(t0, 0)。 B 冷端溫度修正法 C儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 第12頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二材料：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)系為當(dāng)-190t0時(shí)A=3.9684710-3/,B=-5.84710-7/2,C=-4.2210-12/4鉑電阻 T R熱電阻特點(diǎn)：(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) 。

7、 (2) 輸入輸出特性接近線性構(gòu)成：金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線圈第13頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二3熱電阻在-50180范圍內(nèi)，金屬銅的電阻值與溫度的關(guān)系為溫度0時(shí)的電阻值 :銅電阻溫度系數(shù)（4.2510-3- 4.2810-3/)銅電阻第14頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二 熱電阻結(jié)構(gòu) 3熱電阻第15頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二 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(diǎn), 適用于小管道（1/2英吋8英吋）以及狹小空間高精度測(cè)溫領(lǐng)域，與二

8、次顯示表以及PLC配合。 熱電阻結(jié)構(gòu) 3熱電阻第16頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二金屬氧化物為原料，采用陶瓷工藝制備的具有半導(dǎo)體特性的熱敏電阻。4 半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻分類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(cè)溫范圍寬，主要用于溫度測(cè)量;溫控開關(guān)第17頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二4 半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻A負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)105104103102 0-101030507085100120T/C

9、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)理第18頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二（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(dǎo)體陶瓷熱敏電阻 實(shí)驗(yàn)公式lnRTT 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(shì)壘隨溫度變化。第19頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二5 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(cè)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

10、加8攝氏度，硅的ni就增加一倍，因?yàn)檫w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)散射晶格散射第20頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二 當(dāng)電流密度J保持不變時(shí)， 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(duì)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(shí)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(duì)于理想PN結(jié)：300K，且硅管Uf=0.65V時(shí)，在強(qiáng)電離,小注入,Vf大于幾個(gè)KT/q時(shí)，第21頁，共32頁，2022

11、年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二測(cè)溫電路 測(cè)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(guān)，而且與正向電流有關(guān)。第22頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二集電極電流I與Vbe的關(guān)系:(1)(2)(3)(4)集成電路對(duì)管溫度傳感器7 IC溫度傳感器 工作原理分析總結(jié)：輸出電壓與絕對(duì)溫度T成比例，線性較好，其比例系數(shù)只取決于4個(gè)電阻比值。第23頁，共32頁，2022年，5月20日，1

12、點(diǎn)48分，星期二根據(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=Is4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(duì)管溫度傳感器7 IC溫度傳感器 工作原理分析第24頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二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430V， 測(cè)溫范圍-50+150。7 IC溫度傳感器 AD590集成溫度傳感器第25頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二T1,T3,T6構(gòu)成恒流源Ic1= Ic3= I1= 2

13、 Ic6Ic10= 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7 IC溫度傳感器A 主要電路分析 AD590集成溫度傳感器第26頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二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(xiàng)后則有:I=KTTc273.2C) AD590溫度特性Tc攝氏溫度；I 的單位為A。第27頁，共3

14、2頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二D) AD590的測(cè)量電路 AD590在溫度25（298.2K）時(shí)，理想輸出為298.2A，實(shí)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)第28頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二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(duì)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(diǎn)： “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。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二 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需AD轉(zhuǎn)換。溫度范圍為45 to 150 . 傳感器可提供多種封裝。 第30頁，共32頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)48分，星期二7 IC溫