（微电子学与固体电子学专业论文）采用ptcr设计温度报警装置.pdfVIP

中文摘要 中文摘要 温度控制电路在工农业生产中有着广泛的应用，如在粮仓库的粮食仓贮保管 、中，粮仓内的温度是安全保管粮食的重要因素。 本文阐述了p t c r 的结构、基本特性，主要参数、应用及其发展趋势，采用 p t c 热敏电阻，l m 3 1 1 ，电位器等组成一个简单的温度报警装置。实验结果表明， 当由p t c r 探头所接触的温度经电路转换电量输出一个开关量，如果温度超过预 定值，此时的开关即开启，可以根据实际需要，开关可以直接控制声音、灯光报 警器，以声音、灯光等形式提醒用户注意。开关也可以连接执行单元，对被测环 境进行降温处理，以保证被测环境的温度处于一个相对安全的温度段。 本文设计的温度报警装置结构简单，低成本，易投入生产，克服了原来人工 测温、浪费人力、物力投入的缺点，提高测量的准确性，及时性。 关键词p t c r ；电位器；l m 31 1 ；温度报警装置 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i th a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n ，l i k ei n t h eg r a i nw a r e h o u s e sg r a i ns t o r a g e ，i nt h eg r a n a r y t e m p e r a t u r ew a st h es a f es t o r a g eg r a i ni m p o r t a n ta t t r i b u t e t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt h ep t c rs t r u c t u r e ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h em a i n p a r a m e t e r , t h ea p p l i c a t i o na n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n t ，u s e dt h ep t ct h e r m i s t o r ， l m 3 11 ，t h ep o t e n t i o m e t e ra n ds oo nc o m p o s ea s i m p l et e m p e r a t u r ea l a r md e v i c e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t i n d i c a t e dt h a tw h e nc o n t a c t sb yt h ep t c rp r o b eh e a dt h e t e m p e r a t u r eo u t p u t sa s w i t c hq u a n t i t ya f t e rt h ec i r c u i ts w i t c h i n ge l e c t r i cq u a n t i t y , i ft h e t e m p e r a t u r es u r p a s s e st h ep r e d e t e r m i n e dv a l u e ，t h i st i m e s s w i t c hi s o p e n i n g ，m a y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d ，t h es w i t c hb ep o s s i b l et h ep o s i t i v eg o v e r n i n gs o u n d ，t h e l i g h ta l a r ma p p a r a t u s ，b yf o r mr e m i n d e ru s e ra t t e n t i o n sa n ds oo ns o u n d ，l i g h t 二t h e s w i t c hm a ya l s oc o n n e c tt h ee x e c u t i o nu n i t ，t ow a sm e a s u r e dt h a tt h ee n v i r o n m e n t c a r r i e so n t e m p e r a t u r e d e c r e a s e p r o c e s s i n g ，g u a r a n t e e d t h a tw a sm e a s u r e dt h e e n v i r o n m e n tt h et e m p e r a t u r ei si nar e l a t i v es e c u r i t yt h et e m p e r a t u r es e c t i o n t h i st e m p e r a t u r ea l a r md e v i c es t r u c t u r ei ss i m p l e ，t h el o wc o s t ，t h ee a s yp l a c ei n o p e r a t i o n ，t oh a v eo v e r c o m et h eo r i g i n a la r t i f i c i a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t h ew a s t e m a n p o w e r , t h ep h y s i c a lr e s o u r c ei n v e s t m e n ts h o r t c o m i n g ，e n h a n c e st h es u r v e yt h e a c c u r a c y , t i m e l i n e s s k e y w o r d s p t c r ；p o t e n t i o m e t e ；l m 3 11 ；t e m p e r a t u r ea l a r md e v i c e - i i - 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国外同类课题研究现状及发展趋势 温度传感器是传感器中开发较早、应用广泛的一类。早在1 7 世纪初期伽利略 发明温度计起，人们就已经开始利用温度计进行测量了。但真正把温度转变为电 信号的传感器是在1 8 2 1 年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来被称为的热电 偶传感器【i 】。五十年后，另一位德国人西门子发明铂电阻温度计。在半导体技术的 支持下，本世纪相继研究开发出半导体热电偶传感器、p n 结温度传感器和集成温 度传感器。与之相对应的，根据波与物质的相互作用规律，又相继研究开发了声 学温度传感器、红外传感器和微波传感器 2 1 。 p t c 作为一种新型半导体陶瓷材料，以其独特的性能，近年来已经广泛应用于 轻工、农业、食品、医疗、家电等各个领域。p t c 是英文p o s i t i v e t e m p o r a t u r e c o e f f i c e n t 的缩写，意思是正温度系数热敏电阻器，即电阻阻值随温度升高而增大【3 - 4 1 。p t c 元件的温度在没有达到一个特定的开启温度之前，电阻的阻值随温度的变化非常 缓慢，但是元件的温度当超过这个开启温度时，p t c 元件的阻值就急剧增大。p t c 元件是在5 0 年代，由荷兰飞利浦公司的海漫( h a a y m a n ) 最早发现并首先公开报导 的。上世纪6 0 年代初，日本开始大规模生产并实际应用这种半导体陶瓷材料。一 开始人们只将它用作为一种简单的电加热器，随着人们对它性能的不断了解，p t c 元件开始广泛应用于温度补偿、电动机过热保护、自动温度调节和控制、恒温发 热、彩电消磁等。特别是最近几年，在p t c 元件的应用方面取得了很大的进展，研 制出了许多高压耐、高温度、低阻值，高可靠、复合化、片状化和高效发热体结 构的新产品，从而满足了各界领域迅速发展的需要1 5 7 】。 在国外，比较早期的报警系统由美国安定保、日本艾礼富、以色歹i j e l 等几家 大公司生产，随着社会需求的不断增加，到了六十年代以后，在日本、美国和西 欧等一些国家也迅速的发展起来，到了八十年代，据有关资料了解，世界上从事 黑龙江大学硕士掌位论文 敏感元器件与传感器研制与生产的厂家及公司约4 9 0 0 剔引。其中美国1 0 0 0 家、日本 的1 2 5 0 家、欧洲1 4 个国家总体约8 0 0 家、苏联1 0 0 0 家，真可谓是社会在八十年代已 进人敏感元件的年代了。近几年加拿大枫叶、德国博世、美国g e 等厂商也相继推 出报警产品，但是这几个厂家推出的是世界一流的产品，他们推出的报警探测器， 不但性能方面稳定可靠，而且还针对不同应用方向适用不同类别的报警探测器； 他们在报警主机的发展上紧跟科技发展，他们的自动报警装置采用的网络管理， 通过管理微机，采用公共电话网及时监控自动报警系统运行状态、人员值班情况 和报警仪器的故障等信息。这样不仅加强了对各个点位的报警设备的管理和监督 检查，而且还有利于各个部门之间及时作出及时判断，在发现问题后，最快速度 解决出现的问题，既提高安全防护等级，也为安防领域和其他应用领域的结合提 供多种可能性 9 1 。 1 2 国内同类课题研究现状及发展趋势 在我国，自动报警装置最早出现的时间是在八十年代初期，当时我国还处于 一个刚刚起步的阶段，元件的类型及性能还远远赶不上一些发达国家的水平，与 我国日益发展的电子工业相比还相差很多，满足不了社会发展的需求。而且由于 当时技术水平也比较落后，年产量仅仅不到一万只，控制器的年产量也只有几百 台左右：而且大多数的自动化报警系统生产厂家都是在八十年代末九十年代初建 厂，大多以代理销售国外产品消化吸收技术为主。 对于发展中国家中国，考虑到自动报警设备的投资费用较高，所以普遍安装 比较困难，我国还处于刚刚起步状态，元件的型类及性能还远远赶不上一些发达 国家。我国在八九年代末期，丹东市无线电十八厂远从美国引进了一条规模比较 大的p t c 敏感元件的生产线，其中有一些设备在世界上是比较先进的，从材料检验 的光谱分析( s p e c t a la n a l y s i sm e t h - o d ) 、粒度分析到成品检验的曲线测试仪器，全 都代表着那个时代的先进水平，此项举动将会对我国在p t c 研制开发以及应用领域 当中，起到重要的作用疆j 。 第1 覃绪论 不断的随着计算机和传感器技术的迅猛发展，自动检测领域也慢慢地发生着 翻天覆地的变化，在仓库内存储控温方面，在对温度的自动监测控制设备的研究 也有了比较明显的进展。我国在最近几年里，引进了多达1 6 个国家和地区的仓库 环境温度控制系统，不断的吸收国外的先进技术和经验，对我国的仓库温度自动 检测研究做出了重要的积极作用，但是由于很多原因，比如消耗过大，造价过高， 同步设备也未能及时的配套，所以很难达到良好的效果。那么，结合我们中国的 实际情况来讲，我国的仓库环境温度综合控制系统方面的研究必须要走适合中国 实际国情需要的发展道路，在引进、消化、吸收国外先进技术和经验，提高科学 管理水平的基础上，要进行不断的总结提高、集成创新，既要开发研制出适和我 国经济发展水平，又能满足我国气候变化较大的客观条件，尽力做到接近或达到 世界先进水平的智能化仓库温度监测系统。在专用产品、配套技术、贮运营销上， 应该研制具有中国知识产权的产品和技术【l 叫。 本文针对现有温度采集系统结构复杂、成本高的特点提出了采用p t c 热敏电 阻检测温度报警装置设计方案。设计中采用p t c 热敏电阻检测温度，当环境温度 升高时，热敏电阻的阻值增大，电路的触发电压升高，触发开关进行相应动作， 通过调节电阻器的电阻值，即可以改变电路报警时的需要的温度。 1 3 本论文研究的目的 现代社会是信息化的社会，随着安全化程度的日益提高，在粮食贮储过程中， 如何保证温度适宜是实现安全储粮的一个最重要的因素。因此，粮仓的温度是安 全储存粮食的重要控制指标。在粮食的存储过程中，人们需要不断的监控温度参 数变化情况，而且需要对这些点位的温度进行实时采集取样。但是，由于现代粮 仓规模比较巨大，此时如果采用人工监测温度肯定是不可行的，于是开发研制出 一套可靠、及时、准确、实用的粮仓温度监测系统显得突出重要了【1 1 】。 热敏电阻器是一种敏感元件，它的最大特点是电阻值随温度的变化而显著变 化，因而能够通过其电阻值的变化感知周围环境温度的变化。本文研究的目的的 黑龙江大学硕士学位论文 是采用p t c r 熟敏电阻作为敏感元件的温度报警器，当由p t c r 探头所接触的温 度经电路转换电量输出一个开关量，如果温度超过预定值，此时的开关即开启， 可以根据实际需要，开关可以直接控制声音、灯光报警器，以声音、灯光等形式 提醒用户注意。 1 4 本论文研究的意义 改革开放以来，经济飞速发展，人民生活水平逐渐提高，同时也给社会带来 很大压力，住宅小区、博物馆、机房、仓库等许多场所火灾事故时有发生，不仅 使国家财产和个人财产受到了巨大的损失，也对人民的生命造成了威胁。所以， 随着人们安防意识的逐渐增强，采用科技手段实现防范成为必然，自动报警设施 也因此脱颖而出并快速发展起来i l 引。 自然界中几乎所有的物理化学变化过程都与温度的变化是紧密相关的，毫无 疑问温度是一个十分重要的物理量，宏观是表示物体冷热程度的物理量，而微观 概念则是分子运动的动能，分子运动愈激烈，它的温度表现越强烈。而温度也只 能通过某些物体随温度变化的特性来间接的测量出来，同样对温度的控制也有着 非常重要的意义【1 2 j 。随着改革开放的不断进步及现代化工农业技术的迅猛发展， 人们对生活质量、生活水平要求也不断的提高，在一些情况下我们也迫切需要检 测与控制温度。因此温度是无论是在工农业生产，科研试验以及人们日常生活中 都是一个需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。 温度控制电路在工农业生产中有着广泛且非常重要的应用，如在粮食仓库的 粮食贮存保管中，粮仓内的温度是保管粮食的一个重要安全因素，传统的方法是 在粮仓中多个位置插放由水银温度计制作的温度测量仪器，仓库安全管理人员需 要经常巡回取出察看粮仓内的温度变化，来确定粮仓粮食的安全温度。此项工作 繁杂、劳动强度大，并且不能实时的监测粮仓的温度变化，存在很大的缺点1 1 3 1 。 现代信息技术的三大技术基础分别是信息采集、信息传输和信息处理，即传 感器技术、通信技术、即计算机技术。传感器技术属于信息技术的前端产品，特 第1 罩绪论 别是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等各个领域中，使用数 量高居各类传感器的前列【m 15 1 。而且在众多温度检测敏感元器件中，p t c r 具有成 本低，灵敏度高的特点，本课题采用p t c r 设计温度报警装置具有便于推广的优 点，因此采用p t c 热敏电阻在温度报警器有重要的应用领域。 1 5 本论文的主要内容 本文首先调研、搜集了国内外的同类课题研究现状及发展趋势，明确本课题 的研究目的，研究意义；其次，概述了温敏元器件，讲述了p t c 温敏电阻的结构、 基本特性、主要参数、应用及发展趋势，并对本文采用p t c 温敏电阻设计温度报 警装置所需的各类元器件选型，如：l m 3 11 、电位器等进行介绍：然后阐述了采 用了p t c 温敏电阻设计报警装置电路整体构思，元件图等。最后，将本文的实验 测试结果：p t c 温敏电阻的电阻温度特性、电阻的伏安特性、报警装置电路开关 进行分析讨论，形成结论。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章p i g 温敏电阻及主要元器件的选择 2 1 温敏元器件概述 众所周知，温度是表示物体( 系统) 冷热程度的物理量。作为一个重要的物理参 数，它几乎影响所有的物理、化学和生物医学过程的进行，并且在许多场合常常 是取得最佳结果的决定性因素【1 6 1 。因此，无论在工农业生产、科学研究、国防和 人们日常生活等各个领域，温度测量和控制都是极为重要的课题。随着电子学和 材料科学技术的发展，人们正在研制发展各种新型温敏器件并力图以其构成更为 先进、实用的温度传感器或温度计，以满足对温度测量和控制提出的越来越多和 越来越高的要求。事实上，在种类繁多的敏感器件和传感器中，在产量和应用两 方面温敏器件和温度传感器都是首屈一指的，而且继续保持着发展的势头。 对温度进行计量可以采用不同的温度标尺，就像可以使用不同的单位去计量 其他物理量一样。常用的温标包括摄氏温标、华氏温标、绝对热力学温标( 又称开 氏温标) 和国际实用温标。摄氏温标把标准大气压下水的冰点规定为0 ，而水的 沸点为1 0 0 ，称为摄氏度。华氏温标把标准大气压下水的冰点定义为3 2 ，而 水的沸点为2 1 2 ，称为华氏度【1 7 1 。显然，摄氏温标与华氏温标的零点与单位都不相 同，摄氏温度t ( ) 和华氏温度t ( 。f ) 在数值上可根据以下两式换算 t ( ) = 5 9 【t ( 下) 3 2 】 ( 2 一1 ) t ( 下) = 5 9 1 1 ( ) + 3 2 】 ( 2 2 ) 开氏温标把由热力学理论导出的绝对零度作为它的零点，即0k ，而把水的三 相点规定为2 7 3 1 6k ，k 称为开氏度。考虑到水的冰点比三相点要低0 0 1k ，即为 2 7 3 1 5k ，摄氏温度t ( ) 与开氏温度t ( k ) 在数值上可作如下换算 t ( ) - - - - t ( k ) - 2 7 3 - 1 5 ( 2 - 3 ) 第2 章p t c 温敏电阻及主要元器件的选择 t ( k ) = t ( c ) + 2 7 3 + 1 5 ( 2 4 ) 温度不能够直接测量，但物体的许多属性都有随温度变化的特性，因此可以 通过其他物理量间接地实现温度测量。原则上，物体的任何属性，只要它随温度 变化而发生单调的、显著的和可以重复的变化，都可以用于温度测量。温敏器件 最常用的物理量包括体积、压力、电阻( 率) 、磁化率和热电动势等，都可分别用于 制成气体温度计、水银温度计、铂电阻温度计和热电偶等各种温度计和温度传感 器。这些温度传感器和温度计经过两点或多点定标之后，即可用于温度检测或温 度控制目的，这时，它们的输出表示温度。最常使用的定标温度是一些特殊的温 度，如纯水在标准状态下的冰点和沸点等。实验发现，在同样温度下定标的不同 的温度传感器只是在定标温度下给出相同的温度指示，而对于其他任一给定温度， 它们的温度读数并不相同。这是因为用于测温的不同的物理量与温度的具体函数 关系不同。换句话说，对任何实用的温敏器件，非线性是不可避免的，而且是各 不相同的。为解决非线性所引入的测量误差，可对传感器进行多点定标，把结果 制成数据表。然而这样做费时费事，使用也不方便。更为简单的方法是选用线性 好的温敏器件，或附加线性化电路对温敏器件的非线性加以修正，使传感器给出 良好的输出线性。对于这种传感器，只要经过两点( 有时只要一点) 定标，就会给出 足够的测量精度。除线性外，对温敏器件的基本要求还包括灵敏度。稳定性、重 复性、工作温度范围、互换性、尺寸、响应速度、成本及使用方便等指标，这些 指标也是在具体应用条件下选择最合适的温敏器件和温度传感器的依据。 在各种传统的固体温敏器件和温度传感器中，热电偶和铂电阻是最重要的两 种。它f 门不仅至今仍被广泛地应用于各种实际温度检测，而且被指定为国际实用 温标i p t s 6 8 在规定的1 1 个定点温度之间的标准内插仪器。铂铑( 1 0 ) 铂热电偶 适用于6 3 0 7 4 - l0 6 4 4 3 ，铂电阻适用于2 6 9 1 9 ( 1 3 8 1k ) - 6 3 0 7 4 。与气 体和水银温度计相比，这两种传感器尺寸小且有足够的机械强度，使用方便。特 别是它们给出的是电信号，因此便于进行远距离温度测量、监视、记录和控制。 不同型号的热电偶可以覆盖最宽的温度范围，从l - 3 0 0 0k ，而且工作时不需要电 黑龙江大学硕士学位论文 源。它的缺点是灵敏度低、重复性不好，特别是线性很差，因此使用时要配合标 准数据表，并且要求冷端温度补偿，这就造成了使用上的不便。铂电阻由铂丝( 或 膜) 制成。作为一种贵金属，铂有良好的化学惰性、稳定性和电阻率温度线性，又 便于加工，所以铂电阻至今仍被广泛，应用于2 0 0 - - - , + 8 0 0 这样宽范围的温度测 量。其非线性误差仅为士0 5 ，稳定性极好，漂移不超过百分之几度，精度达士o 1 。它的缺点是价格昂贵、灵敏度低、低温线性只能保持到5 0k ，而且2 0k 以下 灵敏度变得很低【。 2 0 世纪3 0 年代初期，由于工业过程自动控制和通讯系统补偿的要求，刺激了 热敏电阻的最初发展，这是第一次出现的半导体温敏元件。5 0 年代以后，以m n o ， c o o ，n i o 等过渡族金属氧化物为基本成分的热敏电阻获得巨大发展和广泛应用， 其典型的工作温度范围是一6 0 3 0 0 【1 4 j 。后来又发展了a 1 2 0 3 和z r 0 2 y 2 0 3 系列 材料，把工作温度上限提高到6 0 0 ，甚至1 0 0 0 以上，以满足高温应用的要求。 这类热敏电阻多采用烧结工艺制成，是尖晶石结构多晶体一一种陶瓷半导体。另 一种陶瓷半导体是5 0 年代中期发展的b a t i 0 3 系列铁电体，在居里点以上取钙钛 矿结构，这时它具有正的温度系数。以v 0 2 系列为代表的是第三类热敏电阻，它 有一个临界温度，电阻在此温度附近可发生几个数量级的变化，这种临界特性使 得这种电阻可以作为一种温度开关。由于热敏电阻具有灵敏度高、输出电平高、 尺寸小、响应速度快和成本低等优点，这些陶瓷半导体热敏电阻，特别是n t c 热 敏电阻，已经成为各种温敏器件和温度传感器中产量最大、应用最广泛的一类【i 引。 它们不仅大量应用于工业过程检测、控制、保护和补偿等目的，而且开始广泛应 用于其他方面，包括航空航天、能源资源、汽车、通讯、测量仪器、办公设备、 空调机、家用电器、医疗保健、农林、园艺、海洋学、地质学、气象学及防灾报 警等等。 除上述陶瓷半导体外，某些单晶半导体如锗、硅和砷化镓等也可用来制作负 温度系数的电阻型温敏器件，用来进行低温测量。目前，锗电阻在1 5 - - 4 0k 范围 内已经成为一种典型的低温温度计。把它和铂电阻联合使用，可以覆盖整个低温 范围0 - - 3 0 0k 【1 9 1 。碳电阻是另一种主要的低温敏感器件，虽然它的重复性不好， 第2 章p t o 温敏电阻及主要元器件的选择 但由于价格便宜，至今仍在广泛使用。7 0 年代初期研制的碳玻璃电阻的重复性优 于碳电阻，且可在1 4 0 0k 宽范围内使用，可望取代碳电阻。此外，近年来也研 制了使用有机半导体材料如多环芳香族化合物和聚酰胺树脂等制作的有机热敏电 阻。 热敏电阻的主要缺点是固有的非线性，因此不适合做精密测量。6 0 年代初期， 人们注意到利用p - n 结的温度特性可以制成一种全新的半导体温敏器件。这种p - n 结型温敏器件的工作原理不同于电阻型温敏器件，而是基于这样一个事实：在恒 定电流条件下，p - n 结的正向电压与温度在很宽的温度范围内( 对硅和砷化镓二极 管为4 0 4 0 0k ) 表现出良好的线性关系。利用这一特性，二极管可以成为一种从1 k 到4 0 0k 的全量程低温温度计，于1 9 6 6 年和1 9 7 2 年先后研制成功实用化的砷 化镓和硅温敏二极管。与此同时，人们也进行了对晶体管温度特性的研究，发现 晶体管可以给出比二极管更好的线性和互换性。与热敏电阻相反，结型温敏器件 表现出良好的线性，完全可以和铂电阻媲美。同时，还具有比热敏电阻更好的稳 定性和重复性，而且更适于大批量生产和降低成本，因此近十年来开始得到实际 应用。 在7 0 年代中期研制出的集成电路温度传感器是温度传惑器发展史上的一次重 大突破。这种新型的传感器把作为感温元件的结型温敏器件与其外围电路一起集 成在同一芯片上，从而实现了传感器的小型化，使用非常方便。由于附加了线性 化电路和放大电路，因此传感器的线性极好，并给出高的灵敏度和输出电平。另 几个优点是长期稳定性和重复性好、互换性好、成本低、易于和读出电路或控制 电路接口。鉴于上述原因，近年来集成电路温度传感器获得迅速发展，并开始广 泛应用于数字温度测量、温度控制、高分辨率温差监视、温度平均、过热保护、 温度补偿和报警等方面【2 0 l 。 结型温敏器件的缺点是其工作温度范围受到限制，温敏晶体管和集成电路温 度传感器的典型工作温度范围是5 0 + 1 5 0 ，温度上限是由衬底构料硅的本征温 度决定的，而下限则取决于晶体管作用的温度特性。选用禁带宽度大的材料制作 结型器件可以扩展高温区，例如目前正在研制的碳化硅二极管可以把温度上限提 9 黑龙江大学硕士学位论文 高到4 0 0 - 5 0 0 。 在7 0 年代中期，研究发现，在一定的正向偏置下，具有三个p 结的闸流晶 体管在一定温度下会自动导通，而导通温度由与发射结并联的栅分路电阻值决定。 利用闸流管的这种温度特性可以把它作为一种新的结型温敏器件一一种温度开关 使用，进行温度检测和控制。与传统的温度开关如双金属片等相比，这种新型的 温度开关具有无触点、无火花、无噪声、寿命长等优点，又不要求附加放大和触 发电路。专用的温敏闸流管于1 9 7 6 年问世。温敏闸流管作为一种新型的温敏器件 的最大特点在于，与一般的温敏器件不同，它集感温与开关功能于一身，这为实 现温敏器件的功能化开辟了道路2 1 1 。 小型化、集成化和数字化一直是各种敏感器件和传感器发展追求的目标。结 型温敏器件的发展为实现半导体温敏器件和温度传感器的这个目标提供了现实的 可能性。未来的研制工作仍将沿着这个方向继续走下去。新原理、新材料、新工 艺、新的结构和封装设计的采用，将使新一代的半导体温敏器件和温度传感器在 工作温度范围、灵敏度、线性、稳定性、互换性和响应特性等方面超过现有的产 品。 2 2p t 0 温敏电阻 2 2 1p t 0 理论模型 p t c 材料是一种温度敏感性的导电材料，p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 即正温度系数，它的特性是指p t c 的电阻率随自身温度升高而增大【2 2 1 。通常人们 所称的p t c 材料是特指具有非线性p t c 效应的材料，即材料的电阻率在某一定的 温度范围内时基本保持不变或仅有很小的变化，而当温度达到材料的特定转变点 温度( 居里温度) 附近时，材料的电阻率会在几度或几十度狭窄的温度范围内发生突 变，电阻率迅速增大1 0 3 , - - , 1 0 9 数量级 2 3 1 。 具有正温度特性的p t c 热敏电阻是以具有正温度系数的典型材料钛酸钡烧结 第2 覃p t o 温敏电阻及主要元器件的选择 体为基体添加微量的稀土元素与b i ，n b ，s b 等的氧化物烧结而成，阳离子半径与 b a 2 + 、t i 4 + 相近而原子价不同的元素固溶置换b a 2 + 、t i 4 + 位置，如l a 3 + 、p r 3 + 、n d 3 + 、 g d 3 + 、y 3 + 等稀土元素置换b a 2 + 、n b 5 + 、s b 5 + 、t a 5 + 等元素置换t i 4 + 后，形成n 型半 导体。如：b 釜工l a 3 + ( n 4 + p ) 善o l 一 1 9 1 。其中( n “p ) ，表示：随着取代二价b a 离子的 x 个三价l a 离子的加入，为满足整个晶体呈现电中性条件，有x 个四价的离子各 自从外界吸收一个电子，l a 是电子的施主，这种电子由于热振动容易变成自由电 子。因此这种半导化的b a t i 0 3 在室温时的电阻率变成1 0 - 1 0 f 1 c m 【2 4 1 。 解释p t c 现象的理论目前尚未完全确立。已经发展了多种理论，如，海望 ( h e y w a n g ) 模型、焦克( j o n k e r ) 模型、丹尼尔斯( d a n i e l s ) 模型、叠加势垒模型等。海 望模型是最被人们接受的一个模型。这一模型认为，粒界上的势垒是高阻的来源， 其模型示如图2 1 。设在粒界上吸附了面浓度为m 的氧离子，氧离子由两侧型 晶粒表面捕捉自由电子2 q n , ，形成一厚度为b = | i v ；s n i 的耗尽层，刀f 为晶粒中的自由电 子密度度。图中咖为表面势，o o = e 9 0 为表面势垒高度，e f 为费米能级，e s 为表面 态距导带底的距离。可以推导出： 砌= 几+ 风+ 纵l + 删鲁) ( 2 - 5 ) 诋 z 一攀c 彳幺 丘 k ；拿笔 ? n + + t 一一一一 b r 一 一 m 品粒界阿 图2 - 1b a t i 0 3 晶界势垒的能带模型 f i g 2 - 1b a t i 0 3g r a i nb o u n d a r yb a r r i e rm o d e lo ft h ee n e r g yb a n d 式2 - 5 中p v 为晶粒的体电阻率，与施主电离能易有关，伊为表面势垒电阻 黑龙江大掌硕士学位论文 率，a 为与材料晶粒尺寸有关的几何因子，典型样品眸l 5 0 ，p v 可写为： 既2 p o e x d 嚣 q - 6 ) p o 为一常数。由上式可知在居里点以上，温度的上升可使户。f f 产生几个数量级 的变化。【2 5 1 对电阻跃变在1 0 6 以下的材料，上述计算值与实验结果相符得很好。但 对于电阻跃变在1 0 6 以上的材料，计算存在较大的误差。 海望模型并没有说明氧离子是如何吸附到粒界的。丹尼尔斯认为，如果存在 氧或钡空位，则它们会捕获电子。如果粒界电子浓度小于晶粒中的电子浓度，则 造成费米能级的不同，产生势垒。【猢刀因为制造b a t i 0 3p t c 材料时，都使t i 0 2 过量0 - - - 2 ) 原子分数，所以用缺陷化学反应来描述b a t i 0 3 的p t c 效应是适宜的。 钡空位在粒界产生与晶界上的富钛相b a t i 3 0 7 有关，在烧结降温过程中，富钛相在 晶界析出b a t i 0 3 ： b a t i 3 0 t + 2 b a a + 2 0 0 = 3 b a t i 0 3 + a + 2 2 2 1 1 b a t i o 。p t c 热敏电阻材料 b a t i 0 3 禁带宽2 9e v ，纯净无缺陷的b a t i 0 3 在室温为绝缘体。b a t i 0 3 是否具 有p t c 效应，完全取决于化学成分和组织状态，就是说，没有p t c 效应的b a t i 0 3 可以通过半导体化处理使其成为半导体。但是，晶粒、晶界都充分半导体化和晶 粒半导体化但晶界完全绝缘的多晶b a t i 0 3 都不具备p t c 性质，只有晶粒半导体化 而晶界适当绝缘的陶瓷才具备显著的p t c 效应，因此其生产工艺的控制比一般陶 瓷严格。 实现b a t i 0 3 半导体化有三个途径：( 1 ) 施主掺杂；( 2 ) 氧化和还原；( 3 ) a s t 掺 杂。 ( 1 ) 施主掺杂 半径与b a 2 + 相近但电价比b a 2 + 高的金属离子( 如口+ ，c e 3 + ，g d 3 + ，s m 3 + ，o y + ， y 3 + ，s b 3 + ，b i 3 + 等) ，或半径与n 4 + 相近但电价比1 f i 4 + 高的离子( 如n b ，1 a 4 + ，w 4 + 第2 章p t c 温敏电阻及主要元器件的选择 等) 都可以作为施主离子加入。 当三价离子取代b a 4 + 或五价离子取代t i 4 + 后，为满足材料电中性的要求，迫使 t i 4 + 还原成三价： t i 4 + + e 一t i 3 + 因此电子可以在两个相邻的t i 3 + 和t i 4 + 离子的3d 轨道上产生跳跃，形成电导。 例如，掺l a 、b i 和n b 的反应可分别写为： b a t i 0 3 + x l a b a = + 1 x l a 3 + x ( t i 4 + 1 xt i 3 x ) 0 2 - 3 + x b a 2 + b a t i 0 3 + x b i b a 2 + 1 x b i 3 + x ( t i 4 + 1 x t i 3 为0 2 - 3 + x b a 2 + b a t i 0 3 + x n b b a ( t i 4 + i 2 x n b 5 + x t i 3 + x ) 0 2 3 + x t i 4 + 5 价离子也可以置换b a 2 + ，为了保持电中性也产生t i 3 + 离子，使b a t i 0 3 成为 半导体：b a t i 0 3 + x n b b a 2 + i x n b s + x ( t i 4 + 1 - 2 x t i 3 + 2 x ) 0 2 - 3 + x b a 2 + 在工艺过程中，如果掺杂浓度或其他工艺不当，则不能使b a t i 0 3 半导体化， b a t i 0 3 仍为绝缘体。可以概括为以下三种情况。 3 价离子取代b a 2 + 后，为了达到电中性的要求，形成b a 空位【2 8 】： b a t i 0 3 斗x l a 3 + b a 2 + 1 ( 3 2 ) x ( v x a a ) x 2 l a 3 + x t i 4 + o 气+ ( 3 x 2 ) b a 2 + 3 价离子同时取代b a 2 + 和t i 4 + ，前者形成施主电导，后者形成受主电导，两 者相互消。例如掺杂s m 2 + 时，当s m 2 + 达到0 4 原子分数时，b a t i 0 3 为 绝缘体( s m 2 + o 2 原子分数时，b a t i 0 3 为半导体) ： b a t i 0 2 + x s m 2 + 【( b a 2 + 1 x 2 s m 2 + x 2 ) ( t i 4 + 1 - x 1s m 3 t 耽) 】0 2 。3 + ( x 2 ) t i 4 + + ( x 2 ) b 2 + a 5 价s b 掺杂时，由于s b 是变价元素，当混合料中t i 0 2 不过量时，s b 2 + 置换 t i 4 + ，为使电价平衡，s b 5 + 被还原为s b ”，同样施主和受主抵消，b a t i 0 3 为绝缘体： b a o + ( 1 x ) t i 0 2 + ( x 2 ) s b 2 0 3 + ( 1 4 ) 0 2 b a 2 + ( t i 4 + i x s b 3 + x 2 s b 5 忱) o 3 ( 0 5 叉卯1 ) 只有当配料中t i 0 2 过量时，s b 2 + 在占据t i 2 + 位置的同时也部分占据b a 2 + 的位 黑龙江大学硕士学位论文 置，形成( b a 2 + i v s b 3 + v ) ( z i 2 4 v _ x z i 3 s b 3 + x ) 0 2 - 3 才能使b a t i 0 3 半导体化【2 9 】。 b a t i 0 3 的掺杂量一般为原子分数( 0 2 - - 0 3 ) 。 ( 2 ) 氧化和还原 在高温和低氧分压下陶瓷内部的氧逸出成为氧气，形成氧空位： b a t i 0 3 一b r 2 + ( t i 4 + 1 2 x t i 3 + 2 x ) 0 2 3 r v x o + ( x 2 ) 0 2 ( g ) 氧空位电离，形成电导： v x o = v o + e v 于n “寸e 电导率为 o = n e j u 刀 ( 2 7 ) 式中：砌为电子迁移率，在9 0 0 - 1 3 0 0 ，b a t i 0 3 的迁移率捌1c m 2 v s ， 可视为常数，刀为导电电子浓度，它正比于y d 或( 和) y 0 的浓度，而矿d 和v ”o 取 决于半导体化时氧的分压p 0 2 因此 o , - ：e x p p l 7 h 0 2( 2 8 ) 即： l g 仃：( 上) i gp o,+c(2-9) m 式( 2 8 ) 表明材料电导率的对数l g o 与氧分压的对数l g ? 0 2 应成一直线。根据直 线的斜率可以判断材料起主导作用的是哪一种缺陷类型，如果m = 4 ，则为单电离 缺陷，胪6 ，则为双电离缺陷。这样就可以用实验进行判断。 如果是在较低温度和较高的氧分压下b a t i 0 3 发生氧化，氧扩散进入材料内 部。为了保持电中性，形成b a 空位，b a t i 0 3 成为p 型半导体。金属离子缺位的反 应可写为： 伽倒= 粥+ 虼 第2 章p t c 温敏电阻及主要元器件的选择 钡空位可以按下式电离： 矿b a _ 矿b a + h 矿b a _ 矿b a 柏。 图2 2 将不同温度下b a t i 0 3 半导体陶瓷电导率的计算结果和实验结果作了对 比，可以看出两者是相当一致的。从图看出，当氧分压较高时，b a t i 0 3 为p 型半 导体，m 为正，当氧分压较低时，b a t i 0 3 为n 型半导体，m 为负。其转变氧分压 随温度升高而升高。 在n 区，朋为4 5 ，而在p 区，所为+ 4 + 5 。可见b a t i 0 3 瓷中的本征缺陷是 由两种电离共同引起的，即同时存在两种电离所引起的缺陷。 ( 3 ) a s t 掺杂 图2 - 2 未掺杂b a t i 0 3 陶瓷高温 f i g 2 - 2t e m p e r a t u r eo fu n d o p e db a t i 0 3c e r a m i c s a s t 掺杂是指用( 1 3a 1 2 0 3 + 3 4 s i 0 2 + 1 4 t i 0 2 ) 进行掺杂。掺杂后，b a t i 0 3 的电 阻率从1 0 1l q c m 降到4 0 1 0 0 q c m 。这一方法的优点是材料性能对掺杂浓度和工 艺不像施主掺杂时那样敏感，工艺容易控制。当a s t 量大于原子分数3 烧结 温度高于1 2 6 0 以后，电阻率、材料密度几乎不随掺杂量的增加和温度的升高而 变化。 因为普通掺杂对原料中的杂质和工艺十分敏感，难以控制，所以也用a s t 做 抗杂剂。一种如下组成( 原子分数) 的瓷料( b a o 9 1s r o 0 6c a o 0 3t i l 0 10 3 ) + ( 0 2 1 5 黑龙江大学硕士学位论文 0 3 ) y 2 0 3 + ( 0 0 5 0 1 0 ) m n c 0 3 进行a s t 掺杂，结果示如图2 - 3 。图中a s t 后 的数字代表掺杂量( 如0 4 代表o 4 呦。从图看出，随着a s t 量的增加电阻温度系数 降低。当掺杂量为o 4 时，a = 3 3 o ，开关温度驴8 9 。 图2 - 3a s t 量对g r c ( b a o 9 l s r o c a o 0 3 t i l 川0 3 ) 陶瓷r - t 曲线的影响 f i g 2 - 3a s t a m o u n t o f p t c ( b a 0 9 1 s t 0 0 6 c a 0 0 3 t i l o 1 0 3 ) r t c u r v e o f c e r a m i c s 毫 嚣 静 蠢 粤 图2 4 不同添加剂对b a t i 0 3 p t c 效应的影响 f i g 2 - 4e f f e c to f d i f f e r e n ta d d i t i v e so nt h ei m p a c to fb a t i 0 3 p t c i 每 第2 章p t c 温敏电阻及主要元器件的选择 2 2 1 2b a t i 0 ：p t c 热敏瓷的改性和制造 第一类添加剂为移动死的添加剂。根据海望理论凡能改变b a t i 0 3 居里点的元 素均能改变t b 。利用这一点可以制得低温( 居里点低于1 2 0 c ) p t c 材料和高温( 高 于1 2 0 c ) p t c 材料。s r 、s n 、z r 、h f 能显著降低t b 。例如以x ( s r ) = 4 0 取代b a ， 死可由1 2 0 降至零度，据实验，其移动效率为3 7 ( 1 ) 。p b 能显著提高t b ， 移动率为+ 4 ( 1 ) ，当x ( p b ) 6 0 代替钡时，乃可提高到3 6 0 。s n 能降低居里 点，移动率为8 “l ) 。c a 不能明显改变t b ，但能减少b a t i 0 6 低温电阻老化。 第二类添加剂能明显改变p t c 效应，添加量仅需万分之几，例如m n 有最低 的接受电子能阶，故锰的加入能增加p t c 效应，而s i 降低p t c 效应，如图1 4 4 3 所示。 第三类添加剂为烧结助剂，通常有t i 0 2 、s i 0 2 和a 1 2 0 3 等。 b a t i 0 3 半导体陶瓷的制备过程可概括为gb a t i 0 3 原料粉制备一成结一 电极制备( 化学镀镍) 性能检验【3 1 1 。 ( 1 ) b a t i 0 3 原料粉制备。原料粉可以用氧化物合成法、溶胶凝胶法、醇盐水解 法或其他方法制各。但要严格控制化学成分。尽可能减少f e 、m g 等杂质元素的含 量。采用工业氧化物合成的原料时，为防止受主杂质( k + 、n 时、f e 2 + 、f e ”