半導(dǎo)體敏感元件熱敏元件與溫度傳感器

半導(dǎo)體敏感元件熱敏元件與溫度傳感器第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(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，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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)嶙枋綗犭娛浇饘贌犭娮璋雽?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量方法1.概述熱敏二極管熱敏三極管溫度傳感器第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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(diǎn)（A、B）溫度不同溫差電勢（湯姆遜電勢）σA-湯姆遜系數(shù)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.熱電偶電動勢第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月若兩種導(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=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)。第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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，熱電偶總熱電勢不變。BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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℃第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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(1~3mm)，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,反應(yīng)速度快等的特點(diǎn),熱相應(yīng)時間達(dá)到微秒級。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月普通工業(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，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5熱電偶的冷端補(bǔ)償熱電勢:A0℃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(bǔ)償冷端溫度補(bǔ)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第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月冷端溫度補(bǔ)償方法：2.熱電偶設(shè)：冷端溫度恒為t0（t0≠0）被測溫度為t

修正公式冷端t0的熱電勢測量得出的熱電勢

被測溫度t的熱電勢將顯示儀表的機(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(diǎn)調(diào)整法

第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月材料：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0～630.74℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為當(dāng)-190℃<t<0℃時A=3.96847×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-12/℃4鉑電阻TR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)。(2)輸入輸出特性接近線性構(gòu)成：金屬鉑絲(0.02~0.07mm)繞制成線圈第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3熱電阻在-50～180℃范圍內(nèi)，金屬銅的電阻值與溫度的關(guān)系為溫度0℃時的電阻值

α:銅電阻溫度系數(shù)（4.25×10-3-4.28×10-3/℃)銅電阻第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻結(jié)構(gòu)3熱電阻第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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熱電阻第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬氧化物為原料，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;測溫范圍寬，主要用于溫度測量;溫控開關(guān)第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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/oC電阻/ΩNTC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，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月（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)體陶瓷熱敏電阻實驗公式lnRT~T表示PTC熱敏電阻電阻-溫度曲線lnRr1lnRr2BPβmRT1T2lnRr0lnRrT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。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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)散射晶格散射第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月當(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)：300K，且硅管Uf=0.65V時，在強(qiáng)電離,小注入,Vf大于幾個KT/q時，第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月測溫電路測溫電路V0=(VBE+100*W1)(1+W2/R1))-100*W2REF為雙恒流源集成芯片，提供兩路100μA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，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月集電極電流I與Vbe的關(guān)系:(1)(2)(3)(4)集成電路對管溫度傳感器7IC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。第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(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=γIs4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7IC溫度傳感器工作原理分析γ第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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4～30V，測溫范圍-50～+150℃。7IC溫度傳感器AD590集成溫度傳感器第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月T1,T3,T6構(gòu)成恒流源Ic1=Ic3=I1=2Ic6Ic10=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7IC溫度傳感器A主要電路分析AD590集成溫度傳感器第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月KT—標(biāo)定因子，為1μA/℃。I=KT·TK

AD590伏安特性曲線工作電壓：4V～30VB)AD590伏安特性電流型溫度傳感器7IC溫度傳感器－550150273.2μAI/μATC/oCAD590溫度特性曲線省略非線性項后則有:I=KT·Tc＋273.2C)AD590溫度特性Tc——攝氏溫度；I的單位為μA。第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月D)AD590的測量電路AD590在溫度25℃（298.2K）時，理想輸出為298.2μA，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7IC溫度傳感器AD590典型應(yīng)用電路(2)第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓型集成溫度傳感器電路T3T5T4T2T1R1R2VccV0電壓型集成溫度傳感器7IC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。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，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字輸出溫度傳感器7IC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–45to150.傳感器可提供多種封裝。℃

℃

第3