第8章半导体温度传感器

1、第8章 半导体传感器第第8章章 半导体传感器半导体传感器 8.1 半导体温度传感器半导体温度传感器8.2 半导体湿度传感器半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器半导体气体传感器 8.4 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器 第8章 半导体传感器温度传感器的种类 温度传感器按照用途可分为基准温度计和工温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测

2、型等。非电测型等。 第8章 半导体传感器1 1常用热电阻常用热电阻 范围：范围：-260-260850850；精度：；精度：0.0010.001。改进后可连续工作。改进后可连续工作2000h2000h，失效率小于，失效率小于1 1，使用期为，使用期为1010年。年。2 2管缆热电阻管缆热电阻 测温范围为测温范围为-20-20500500，最高上限为，最高上限为10001000，精度为，精度为0.50.5级。级。接触式温度传感器3 3陶瓷热电阻陶瓷热电阻 测量范围为测量范围为200200+500+500，精度为，精度为0.30.3、0.150.15级。级。4 4超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量

3、超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量268.8268.8253-272.9253-272.9272.99272.99的的温度。温度。5 5热敏电阻器热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。便宜。 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式

4、要测得物体的真实温度的前提条件是低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。被测物体的热容量要足够大。第8章 半导体传感器l l辐射高温计辐射高温计 用来测量用来测量 10001000以上高温。分四种：光学高温计、比色高以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光谱高温计光谱高温计 前苏联研制的前苏联研制的YCIYCII I型自动测温通用光谱高温计型自动测温通用光谱高温计, ,其测量范其测量范围为围为4004006000,6000,它是采用电子化自动跟踪系统它是采用电子化自动跟踪系统, ,保证有足够准

5、确的精度进行保证有足够准确的精度进行自动测量。自动测量。 非接触式温度传感器3 3超声波温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快特点是响应快( (约为约为10ms10ms左右左右) )，方向性强。目前国外，方向性强。目前国外有可测到有可测到5000 5000 的产品。的产品。4 4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBSNBS公司用公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1 1。美国麻省理工学。美国麻省理工学院研制的一种激光温度计，最高温度可达院研制的一种激光温度计

6、，最高温度可达80008000，专门用于核聚变研究。瑞，专门用于核聚变研究。瑞士士Browa BorerBrowa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)(K)的高温。的高温。 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。对

7、象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。第8章 半导体传感器 8.1 半导体温度传感器半导体温度传感器 8.1.1 8.1.1 接触型半导体传感器接触型半导体传感器热电阻传感器有两大类：热电阻传感器有两大类：、金属热电阻、金属热电阻俗称热电阻（热电阻传感器）；俗称热电阻（热电阻传感器）；、半导体热电阻、半导体热电阻俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）基于热电阻效应：电阻率随温度变化发生改变的现象基于热电阻效应：电阻率随温度变化发生改变的现象电阻与温度的关系电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式

8、表示 R Rt t=R=R0 01+1+（t-tt-t0 0） 第8章 半导体传感器1.热电阻传感器热电阻传感器对热电阻材料的要求对热电阻材料的要求：电阻温度系数电阻温度系数要尽可能大，且稳定；要尽可能大，且稳定；电阻率电阻率要高；要高；比热小，亦即热惯性小；比热小，亦即热惯性小；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。 第8章 半导体传感器 热电阻传感器热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、

9、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。1 1、铂热电阻：型号为、铂热电阻：型号为WZBWZB， 分度号为分度号为BABA1 R1 R0 04646和和BABA2 R2 R0 0100 100 。2 2、铜热电阻：型号为、铜热电阻：型号为WZGWZG，分度号为，分度号为G G ，R R0 03333 R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2CtCt3 3 其优点：其优点： 输出输入特性近似线性；输出输入特性近似线性； 工艺性好，价格便宜。工艺性好，价格便宜。其缺点：电阻率小，仅为铂的其缺点：电阻率小，仅为铂的1 16 6，故体积大，热惯性

10、大。，故体积大，热惯性大。 当温度高于当温度高于1000C1000C时，易氧化、测量范围小，不适于在时，易氧化、测量范围小，不适于在 腐蚀性介质或高温下工作。腐蚀性介质或高温下工作。3 3、镍热电阻、镍热电阻在在-50-502000C2000C范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2 4 4、其他热电阻、其他热电阻铟热电阻锰热电阻铟热电阻锰热电阻 碳热电阻碳热电阻 铁热电阻、镍热电阻铁热电阻、镍热电阻 常用热电阻常用热电阻 第8章 半导体传感器习题习题1Pt100Pt100和和Cu50Cu50各代表什么传感器

11、？各代表什么传感器？ 分别代表铂电阻热电式传感器（分别代表铂电阻热电式传感器（0 0度时电阻值为度时电阻值为100100），铜电阻热电式传感器），铜电阻热电式传感器(0(0摄氏度时电阻值为摄氏度时电阻值为50).50).第8章 半导体传感器2.半导体热敏电阻半导体热敏电阻 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热的性质制成的。工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）运动（譬如温度升高）, ,越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）越来越多载流子克服禁带宽度

12、（或电离能）引起导电引起导电, ,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化, ,根根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。 在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40-40350350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。热敏电阻已逐渐取代传统的

13、温度传感器。第8章 半导体传感器 (1)(1)灵敏度高灵敏度高, ,有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大变的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大1010100100倍倍以上以上, ,能检测出能检测出1010-6-6温度变化。温度变化。 (2)(2)小型小型, ,材料加工容易、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到直材料加工容易、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到直径为径为0.2mm,0.2mm,能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处

14、的温度。生物体血管等处的温度。 (3)(3)使用方便使用方便, ,电阻值可在电阻值可在0.10.1100k100k之间任意选择。使用时，一之间任意选择。使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。 （一）半导体热敏电阻主要特点（一）半导体热敏电阻主要特点第8章 半导体传感器(4)稳定性好。商品化产品已有稳定性好。商品化产品已有3030多年历史，加之近年多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在在材料与工艺上不断得

15、到改进。据报道，在0.010.01的的小温度范围内，其稳定性可达小温度范围内，其稳定性可达0.00020.0002的精度。相比的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。之下，优于其它各种温度传感器。(5)原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经玻璃封原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。分可贵的特点。第8章 半导体传感器 热敏电阻的种类很多，分类方法也热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏

16、电阻的阻值与温度关系这不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：一重要特性可分为：1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称器，简称PTCPTC热敏阻器。它的主要材热敏阻器。它的主要材料是是由在料是是由在BaTiO3BaTiO3和和SrTiO3SrTiO3为主的成为主的成分中加入少量分中加入少量Y2O3Y2O3和和Mn2O3Mn2O3构成的烧构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大值增大, ,其色标标记为红色。开关型其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻

17、在居里点附近阻正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变值发生突变, ,有斜率最大的区段有斜率最大的区段, ,通过通过成分配比和添加剂的改变成分配比和添加剂的改变, ,可使其斜可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里率最大的区段处在不同的温度范围里, ,例如加入适量铅其居里温度升高例如加入适量铅其居里温度升高; ;若若将铅换成锶将铅换成锶, ,其居里温度下降。其居里温度下降。 （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 NTCPTCCTR10110210310410510610710804080120160200t / / cm图图8.1 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电阻的温度特性

18、 第8章 半导体传感器 2 2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC） 电阻值随温度升高而下降的热电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器，简称敏电阻器，简称NTCNTC热敏电阻器。热敏电阻器。它的材料主要由它的材料主要由MnMn、CoCo、NiNi、FeFe等金属的氧化物烧结而成等金属的氧化物烧结而成, ,通过不通过不同材质组合同材质组合, ,能得到不同的电阻值能得到不同的电阻值R0R0及不同的温度特性。及不同的温度特性。 负温度系数（负温度系数（NTCNTC）型半导体）型半导体热敏电阻研究最早热敏电阻研究最早, ,生产最成熟生产最成熟, ,是应用最广泛的热敏电阻之一是应用最广泛

19、的热敏电阻之一, , 特别适合于特别适合于-100-100300300C C之间的之间的温度测量温度测量, ,其色标标记为绿色。其色标标记为绿色。NTCPTCCTR10110210310410510610710804080120160200t / / cm图图8.1 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电阻的温度特性 第8章 半导体传感器 3 3突变型负温度系数热敏电阻器突变型负温度系数热敏电阻器（CTRCTR） 如果用如果用V V、GeGe、W W、P P等的氧化等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体烧结体, ,还可以制成临界型（还可以制成临界型（CTR

20、CTR）热敏电阻热敏电阻, ,它是负温度系数型它是负温度系数型, ,在在某特定温度范围内随温度升高而某特定温度范围内随温度升高而急剧下降，最高可降低急剧下降，最高可降低3 34 4个数个数量级，即具有很大负温度系数。量级，即具有很大负温度系数。即在某个温度范围里阻值即在某个温度范围里阻值, ,曲线斜曲线斜率在此区段特别陡峭率在此区段特别陡峭, ,灵敏度极高灵敏度极高, ,其色标标记为白色。此特性可用其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警电路中。于自动控温和报警电路中。 NTCPTCCTR10110210310410510610710804080120160200t / / cm图图8.1

21、 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电阻的温度特性 第8章 半导体传感器热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体 、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体 、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge 、Fe、 V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体

22、电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系第8章 半导体传感器热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子第8章 半导体传感器 标称阻值标称阻值R RH H 在环境温度为在环境温度为(25(250.2)0.2)时测得的阻值时测得的阻值, ,也称冷也称冷电阻电阻

23、, ,单位为单位为。 电阻温度系数电阻温度系数t t 热敏电阻的温度每变化热敏电阻的温度每变化11时时, ,阻值的相对变化率阻值的相对变化率, ,单单位为位为%/%/。如不作特别说明。如不作特别说明, ,是指是指2020时的温度系数。时的温度系数。1tdRR dT(8.1) (8.1) 式中式中,R,R为温度为为温度为T(K)T(K)时的阻值。时的阻值。 （三）热敏电阻的主要参数（三）热敏电阻的主要参数第8章 半导体传感器材料常数材料常数B B 是表征负温度系数是表征负温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。热敏电阻器材料的物理特性常数。B B值决定值决定于材料的激活能于材料

24、的激活能E E，具有具有B=B=E E2k2k的函数关系，式中的函数关系，式中k k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。一般一般B B值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，B B值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。 如果被测温度比较低如果被测温度比较低, ,而且不需要很高的精度时而且不需要很高的精度时, ,一般把一般把B B看成一个看成一个常数常数, ,求出温度或热敏电阻的阻值。求出温度或热敏电阻的阻值。001ln11RBRTT330031003500050100150

25、图图8.2 B8.2 B常数的温度特性常数的温度特性T/C第8章 半导体传感器散热系数散热系数H H 它是指热敏电阻自身发热使其温度比环它是指热敏电阻自身发热使其温度比环境温度高出境温度高出11所需的功率所需的功率, ,单位为单位为W/W/或或mW/mW/。在工作范围内，当环境温度变化时，。在工作范围内，当环境温度变化时，H H值随之变化，它取决于热敏电阻的形状、封装值随之变化，它取决于热敏电阻的形状、封装形式以及周围介质的种类。形式以及周围介质的种类。第8章 半导体传感器时间常数时间常数 它是指热敏电阻从温度为它是指热敏电阻从温度为T T0 0的介质中突然移入温度为的介质中突然移入温度为T

26、T的的介 质 中 （ 环 境 温 度 阶 跃 变 化 ）介 质 中 （ 环 境 温 度 阶 跃 变 化 ） , , 热 敏 电 阻 的 温 度 升 高热 敏 电 阻 的 温 度 升 高T=0.63(T-TT=0.63(T-T0 0) )所需的时间所需的时间, ,单位为单位为s s。它表征热敏电阻加热或。它表征热敏电阻加热或冷却的速度。一般在冷却的速度。一般在1-501-50秒之间秒之间. .它与热容量它与热容量C C和耗散系数和耗散系数H H之之间的关系间的关系最高工作温度最高工作温度T Tm m 它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度, ,在该温

27、在该温度下度下, ,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。 HCHPTTE0maxT T0 0环境温度；环境温度；P PE E环境温度为环境温度为T T0 0时的额定功率；时的额定功率；H H散热系数散热系数第8章 半导体传感器 （四）热敏电阻器主要特性（四）热敏电阻器主要特性1.1.热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性（R RT TT T） 1234铂丝40601201600100101102103104105RT/温度T/CTTT T与与RTRTT T特性曲线一致。特性曲线一致。热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特

28、性曲线1-NTC1-NTC；2-CTR2-CTR； 3-4 PTC3-4 PTC第8章 半导体传感器R RT T、R RT0T0温度为温度为T T、T T0 0时热敏电阻器的电阻值时热敏电阻器的电阻值 B B NTCNTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。对上式微分后对上式微分后, ,再除以再除以R RT T, ,可得可得NTCNTC的温度系数的温度系数负电阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特性热敏电阻器的温度特性0011expTTRRBTTNTCNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：21TTdRBRdTT 可见可见, ,温度

29、系数是温度的非线性函数。随温度减小而增大温度系数是温度的非线性函数。随温度减小而增大, ,所以低温时热敏电所以低温时热敏电阻温度系数大阻温度系数大, ,所以灵敏度高所以灵敏度高, ,故热敏电阻常用于低温（故热敏电阻常用于低温（-100-100300300C C）测量。由测）测量。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTCNTC热敏电阻器，在热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于不太宽的温度范围（小于450450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。），都能利用该式，它仅是一个经验公式。00lnTBTRBRT第8章 半导体

30、传感器 材料的不同或配方的比例和方法不同，则材料的不同或配方的比例和方法不同，则B B也不同。用也不同。用lnlnR RT T1/1/T T表示负电表示负电阻温度系数热敏电阻阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。温度特性，在实际应用中比较方便。105104103102 0 -101030507085100120T/C(1/T)电阻电阻/(lnR(lnRT T) )NTCNTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻-温度曲线温度曲线如果以如果以lnRlnRT T、1/T1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为B B，通过点，通过点(1/T(

31、1/T，lnRlnRT0T0) )的一条直线，如图。的一条直线，如图。0011lnlnTTRBRTT第8章 半导体传感器2.2.正电阻温度系数（正电阻温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的电阻）热敏电阻器的电阻温度特性温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTCPTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度曲线温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc

32、=175 C PTC PTC热敏电阻的工作温热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，度范围较窄，在工作区两端，电阻电阻温度曲线上有两个拐温度曲线上有两个拐点：点：T Tp1p1和和T Tp2p2。当温度低于。当温度低于T Tp1p1时，温度灵敏度低；当温时，温度灵敏度低；当温度升高到度升高到T Tp1p1后，电阻值随温后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到迅速增大）；当温度升到T Tp2p2时，正温度系数热敏电阻器时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度在工作温度范围内存在温度TcTc，对应有较大的温度系数，对应有较大的温度系数tptp

33、。第8章 半导体传感器 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中式中 R RT T、R RT0T0温度分别为温度分别为T T、T T0 0时的电阻值；时的电阻值； B BP P正温度系数热敏电阻器的材料常数。正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：若对上式取对数，则得：00expTTPRRBTT0lnln0TPTRTTBR第8章 半导体传感器 ）可见正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数可见正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tptp ，正

34、好等于它的材料常数，正好等于它的材料常数B BP P的值。的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnlnR RT T- -T T 表示的表示的PTCPTC热敏电阻器电阻热敏电阻器电阻温度曲线温度曲线lnRrT0000exp1expPTPTtpPTTPB RBTTdRBRdTRBTT若对上式微分，可得若对上式微分，可得PTCPTC热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数tptp以以lnlnR RT T、T T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。第8章 半导体传感器 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTCNTC

35、热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（U UI I）热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。功率相等）时的互相关系。1.1.负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为该曲线是在环境温度为T T0 0时的静态介质中测时的静态介质中测出的静态出的静态U UI I曲线。曲线。热敏电阻的端

36、电压热敏电阻的端电压U UT T和通过它的电流和通过它的电流I I有如有如下关系：下关系：0011expTTTUIRIRBTT第8章 半导体传感器 oaoa段：为线性段，表示在低电流下段：为线性段，表示在低电流下, ,热热敏电阻呈线性电阻性质，电压降和敏电阻呈线性电阻性质，电压降和电流成正比。这一区域适合温度测电流成正比。这一区域适合温度测量，量，a a点是没有自热时的最大电流值。点是没有自热时的最大电流值。 abab段：随电流增加段：随电流增加, ,电压上升变缓电压上升变缓, ,曲曲线呈非线性线呈非线性, ,这一工作区是非线性正这一工作区是非线性正阻区。阻区。 bcbc段：当电流超过一定值以

37、后段：当电流超过一定值以后, ,曲线向曲线向下弯曲出现负阻特性下弯曲出现负阻特性, ,称为负阻区。称为负阻区。 表示有较大自热时，电流引起热敏表示有较大自热时，电流引起热敏电阻自身发热升温，阻值减小，电电阻自身发热升温，阻值减小，电阻的压降随电流的增加而减小。尤阻的压降随电流的增加而减小。尤其是阻值大的热敏电阻。其是阻值大的热敏电阻。b b点处自热点处自热增量为零，自热温度等于环境温度。增量为零，自热温度等于环境温度。 d d点：是空气中最大安全电流工作点。点：是空气中最大安全电流工作点。电流过大，超过电阻的允许功率。电流过大，超过电阻的允许功率。 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC

38、NTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性第8章 半导体传感器 曲线见下图，它与曲线见下图，它与NTCNTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。弯曲。 102103104105101Um10110210310010

39、-1ImPTCPTC热敏电阻器的静态伏安特性热敏电阻器的静态伏安特性2 2正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性 当电压增至当电压增至U Um m时，存在一个电时，存在一个电流最大值流最大值I Im m；如电压继续增加，由；如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加速度超过电于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。曲线斜率由正变负。 第8章 半导体传感器（三）热敏电阻器的安时特性（三）热敏电阻器的安时特性（U UI I） 流过热敏电阻的电流与时间的关系流过热敏电阻的电流与时间的关系, ,称

40、为安时特性称为安时特性, ,如图如图8.48.4所所示。它表示热敏电阻在不同电压下示。它表示热敏电阻在不同电压下, ,电流达到稳定最大值所需要的电流达到稳定最大值所需要的时间。对于一般结构的热敏电阻时间。对于一般结构的热敏电阻, ,其值均在其值均在0.5-1s0.5-1s之间。之间。 01020304050123456789E80 V70 V60 V50 V40 V30 V时间 / s电流 / mA 图图8.4 8.4 热敏电阻的安时特性热敏电阻的安时特性 第8章 半导体传感器 目前半导体热敏电阻还存在一定缺陷目前半导体热敏电阻还存在一定缺陷, ,主主要是互换性和稳定性还不够理想要是互换性和稳

41、定性还不够理想, ,虽然近几年虽然近几年有明显改善有明显改善, ,但仍比不上金属热电阻但仍比不上金属热电阻, ,其次是它其次是它的非线性严重的非线性严重, ,且不能在高温下使用且不能在高温下使用, ,因而限制因而限制了其应用领域。了其应用领域。 （四）热敏电阻器主要缺点（四）热敏电阻器主要缺点第8章 半导体传感器热敏电阻测温的基本电路热敏电阻测温的基本电路 为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号, ,需要考虑它的直线性需要考虑它的直线性和自身加热问题。图和自身加热问题。图8.58.5表示热敏电阻的基本联接电路。对于负温度系数的表示热敏电阻的基本联接

42、电路。对于负温度系数的热敏电阻热敏电阻(NTC(NTC型型) )当温度上升时当温度上升时, ,热敏电阻的阻值变小热敏电阻的阻值变小, ,输出电压输出电压U Uoutout上升。在上升。在0 0100100C C温度范围内有如下关系温度范围内有如下关系: :bsoutThsU RURR(8.7) (8.7) （五）（五）热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 图图8.58.5热敏电阻的基本连接法热敏电阻的基本连接法0011exp( . )TTRRBTT8 3从公式从公式(8.3)(8.3)可知可知, ,温度和热敏电阻的阻温度和热敏电阻的阻值之间有非线性特性。值之间有非线性特性。第8章 半导体传感器

43、 为了在较宽的范围内实现线性化为了在较宽的范围内实现线性化, ,可采用模拟电路参数设定法可采用模拟电路参数设定法: :把热敏电把热敏电阻传感器接入图阻传感器接入图8.88.8所示电路中的所示电路中的R RT T位置上位置上, ,则电路输出电压为则电路输出电压为 3112TREURRR将（将（8.38.3）式代入上式得）式代入上式得31012011exp ()REURBRRTTR1C1CRTR2R3RPU1E(5 V) 图图8.8 8.8 测量电路原理图测量电路原理图第8章 半导体传感器3121243214655435lnlnln1exp()26xTTTTsssofTTRURUUUEUUUUUU

44、RRI RI RI RkTUUUURUUmVUq 联立以上各式及（联立以上各式及（8.38.3）式）式( (（改写为（改写为 0011(exp ()TTRRBTT63501240lnlnxofsTTTTTsRUUR IREBBRUURUUR R R ITTA3A4A5A6A7U1U2U3U4U5UoUxERcRaRbR4R6R5R0R0R0R0Rf 可见，温度与输出电压之间是非线性的，可用对数电路和除法器串联电路实可见，温度与输出电压之间是非线性的，可用对数电路和除法器串联电路实现线性化输出，如图现线性化输出，如图8.98.9所示。图中各点电压之间的关系：所示。图中各点电压之间的关系：解得解得

45、 图图8.9 8.9 线性化电路线性化电路第8章 半导体传感器 在设计电路参数时在设计电路参数时, ,若选择若选择301240exp()TsR R EBRR R IT可使上式分母中前三项的代数和等于零可使上式分母中前三项的代数和等于零, ,则有则有 65fsxoTR R I UUTRU B即得到了输出电压即得到了输出电压U Uo o与被测温度与被测温度T T成线性的关系式。成线性的关系式。A3A4A5A6A7U1U2U3U4U5UoUxERcRaRbR4R6R5R0R0R0R0Rf 图图8.9 8.9 线性化电路线性化电路 第8章 半导体传感器利用两个热敏电阻利用两个热敏电阻, ,求出其温度差

46、的电路求出其温度差的电路 在温度测量中在温度测量中, ,测量温度的绝对值一般能测量到测量温度的绝对值一般能测量到0.10.1C C左右的精度左右的精度, ,要测到要测到0.010.01C C的高精度是很困难的。但是的高精度是很困难的。但是, ,如果在具有两个热敏电阻如果在具有两个热敏电阻的桥式电路中的桥式电路中, ,在同一温度下在同一温度下, ,调整电桥平衡调整电桥平衡, ,当两个热敏电阻所处环境当两个热敏电阻所处环境温度不同温度不同, ,测量温度差时测量温度差时, ,精度可以大大提高。精度可以大大提高。 图图8.108.10示出这种求温度差的电路图。图（示出这种求温度差的电路图。图（a a）

47、电路的测温范围较小）电路的测温范围较小, ,而且两个热敏电阻的而且两个热敏电阻的B B常数应该一致常数应该一致, ,但灵敏度高但灵敏度高; ;图（图（b b）电路的测温）电路的测温范围较大范围较大, ,而且对而且对B B常数一致性的要求也不严格常数一致性的要求也不严格, ,因为它们可以用因为它们可以用R Rs s来适来适当调整。当调整。Rs2EbRTh2RTh1R3R1R2EbRs1RTh1RTh2(a)(b)图图8.10 8.10 求温度差的桥式电路求温度差的桥式电路 第8章 半导体传感器 利用半导体二极管、晶体管、可控硅等的伏安特性与温度的关利用半导体二极管、晶体管、可控硅等的伏安特性与温

48、度的关系可做出温敏器件。它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。系可做出温敏器件。它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。此外此外, ,线性较好且价格低廉线性较好且价格低廉, ,在不少仪表里用来进行温度补偿。特别在不少仪表里用来进行温度补偿。特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护适合对电子仪器或家用电器的过热保护, ,也常用于简单的温度显示和也常用于简单的温度显示和控制。不过由于控制。不过由于PNPN结受耐热性能和特性范围的限制结受耐热性能和特性范围的限制, ,只能用来测量只能用来测量150150C C以下的温度。以下的温度。 PNPN结温度传感器的种类结温度传感器的种类 种类：种类： 温

49、敏二极管；温敏三极管温敏二极管；温敏三极管 温控晶闸管。温控晶闸管。 分立元件型分立元件型PNPN结温度传感器也存在互换性和稳定性不够理想的结温度传感器也存在互换性和稳定性不够理想的缺点，集成化缺点，集成化PNPN结温度传感器则把感温部分、放大部分和补偿部分结温度传感器则把感温部分、放大部分和补偿部分封装在同一管壳里，性能比较一致而且使用方便。封装在同一管壳里，性能比较一致而且使用方便。2. PN2. PN结型热敏器件结型热敏器件第8章 半导体传感器原理：原理：恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系根据半导体器件原理根据半导体器件原理, ,流经晶体二极管流

50、经晶体二极管PNPN结的正向电流结的正向电流I ID D与与PNPN结上结上的正向压降的正向压降U UD D有如下关系有如下关系0gqUkTsIB TeDqUkTDsII e（8.108.10） 1)1)晶体二极管晶体二极管PNPN结热敏器件结热敏器件式中式中,q,q为电子电荷量为电子电荷量,k,k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数,T,T为绝对温度为绝对温度, ,I Is s为反为反向饱和电流。它可写为向饱和电流。它可写为(8.11) (8.11) qU qUg0g0为半导体材料的禁带宽度为半导体材料的禁带宽度;B;B和和为两个常数为两个常数, ,其数值与器件其数值与器件的结构和工艺有关。的结构和

51、工艺有关。 将将(8.10)(8.10)式取对数并考虑到式取对数并考虑到(8.11)(8.11)式式, ,得得0lnlnlnDDgkTkTkTUIUBTqqq第8章 半导体传感器 对上式两边取导数对上式两边取导数, ,得到得到PNPN结正向压降对温度的变化率为结正向压降对温度的变化率为lnlnlnDDdUkkkkIBTdTqqqq从以上二式得到温度灵敏度为从以上二式得到温度灵敏度为 0gDDUUdUkdTTq (8.12) (8.12) 2/DdUmV KdT k=8.63k=8.631010-5-5eV/KeV/K，当半导体材料选定为硅，则，当半导体材料选定为硅，则U Ugogo=1.172

52、V=1.172V，设设U UD D=0.65V=0.65V，T=300KT=300K，=3.5=3.5，则得，则得0lnlnlnDDgkTkTkTUIUBTqqq即此条件下，温度每升高即此条件下，温度每升高11，PNPN结正向电压下降结正向电压下降2mV2mV第8章 半导体传感器 硅二极管正向电压的温度特性如图硅二极管正向电压的温度特性如图8.118.11所示。显而易见所示。显而易见, , 在在4040300K300K之间有良好的线性。当正向电流一定时之间有良好的线性。当正向电流一定时, ,二极管的种类不同二极管的种类不同, ,其温度其温度特性也不同特性也不同, ,正向电流变化时正向电流变化时

53、, ,温度特性也随之变化。温度特性也随之变化。02060100140180220260300FJT1000(100 A)FD300(100 A)FD200(100 A)FD200(10 A)温度 / K正方向电压 / V图图8.11 8.11 硅二极管正向电压的温度特性硅二极管正向电压的温度特性 温度特性温度特性第8章 半导体传感器 如图如图8.128.12所示。利用二极管所示。利用二极管V VD D、R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R RW W组成一电桥电路组成一电桥电路, ,再用运算放大器把电桥输出电信号放大并起到阻抗变换作用再用运算放大器把电桥输出电信号放大并起到阻抗变换作用

54、, ,可提可提高信号的质量。高信号的质量。R1R2R3R4R5R6RfVRWVD图图8.12 8.12 二极管测温电路二极管测温电路 二极管测温电路二极管测温电路第8章 半导体传感器 原理：原理：根据晶体管原理根据晶体管原理, ,处于正向工作状态的晶体三极管处于正向工作状态的晶体三极管, ,其发射极电流其发射极电流和发射结电压能很好地符合下面关系和发射结电压能很好地符合下面关系(1)BEqUkTEseIIe式中式中,I,IE E为发射极电流为发射极电流,U,UBEBE为发射结压降为发射结压降,I,Isese为发射结的反向饱和电流。为发射结的反向饱和电流。 因为在室温时因为在室温时,kT/q=3

55、6mV,kT/q=36mV左右左右, ,因此因此, ,在一般发射结正向偏置的在一般发射结正向偏置的条件下条件下, ,都能满足都能满足U UBEBEkT/qkT/q的条件的条件, ,这时上式可以近似为这时上式可以近似为BEqUkTEseII e（8.138.13） 2) 2) 晶体三极管温度传感器晶体三极管温度传感器 对上式取对数对上式取对数, ,得得 lnEBEsekTIUqI(8.14) (8.14) 第8章 半导体传感器lnEseIkaqI令常数，则BEUaT(8.15)(8.15) 由上式可知由上式可知, ,温度温度T T与发射结压降与发射结压降U UBEBE有对应关系有对应关系, ,我

56、们可根据这一关系我们可根据这一关系通过测量通过测量U UBEBE来测量温度来测量温度T T值值, ,且在温度不太高的情况下且在温度不太高的情况下, ,两者近似成线性关两者近似成线性关系系, ,其灵敏度为其灵敏度为 lnBEEsedUIkadTqI常数第8章 半导体传感器 图图8.138.13为硅半导体晶体管的基极为硅半导体晶体管的基极发射极间电压发射极间电压U UBEBE和集电极电流和集电极电流I IC C关系的温度特性。关系的温度特性。U UBEBE具有大约具有大约-2.3mV/ -2.3mV/ 的温度系数，利用这一现象的温度系数，利用这一现象可以制成高精度、超小型的温度传感器，测温范围为可

57、以制成高精度、超小型的温度传感器，测温范围为-50-200 -50-200 左右。左右。 00.20.40.60.81.01.210610410210102383 K355.8300.5255.2223.3176.8124.777.5UBE / VIC / A图图8.13 8.13 U UBEBE与与I IC C的温度特性的温度特性温度特性温度特性第8章 半导体传感器图图8.14 8.14 晶体管体温计原理图及测温输出特性晶体管体温计原理图及测温输出特性A7483187642XIINVR4150 k R17 kR21 MR5680 k R3100 k 100 pF 7 VR62 M 7 V输

58、出 电 压D811传 感 三 极 管屏 蔽 线01020304050 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0温 度 / 输出电压 / V(a)(b)图图8.148.14为晶体管温度传感器用作电子体温计的原理图及其输出特性。在为晶体管温度传感器用作电子体温计的原理图及其输出特性。在0 05050C C的范围内的范围内, ,输出电压变化为输出电压变化为0 0-1V,-1V,测温精度不低于测温精度不低于0.050.05C C。实用举例实用举例第8章 半导体传感器 结型热敏器件另一种类型是利用可控硅元件的热开关特性制成的可结型热敏器件另一种类型是利用可控硅元件的热开关特性制成的可控硅热敏开关控硅热敏开

59、关, ,是一种无触点热开关元件。当元件处于关态时是一种无触点热开关元件。当元件处于关态时, ,流过阳极与流过阳极与阴极之间的电流阴极之间的电流I ID D为为01121()CGDIa IIaa 式中式中, ,I IG G为流过阳极与栅极电阻的旁路选通电流为流过阳极与栅极电阻的旁路选通电流;a;a1 1为空穴电流增长为空穴电流增长率，率，a a2 2为电子电流增长率，为电子电流增长率，I IC0C0为集电极截止电流。为集电极截止电流。3)3)可控硅热敏开关可控硅热敏开关 当截止电压一定时当截止电压一定时, ,随温度的上升随温度的上升, ,热激电子空穴对成指数增加热激电子空穴对成指数增加, ,使使

60、I IC0C0增大增大,a,a1 1和和a a2 2也增大。当温度达到一定值也增大。当温度达到一定值, ,使使a a1 1+a+a2 2=1=1时时, ,元件即由截止状态元件即由截止状态转换为导通状态。转换为导通状态。 可控硅热敏开关元件具有温度传感和开关两种特性可控硅热敏开关元件具有温度传感和开关两种特性, ,开关温度可通过调开关温度可通过调整栅极电阻上的外加电压进行控制整栅极电阻上的外加电压进行控制, ,导通状态具有自保持能力导通状态具有自保持能力, ,并能通过较大并能通过较大电流。电流。 第8章 半导体传感器表表8.1 8.1 可控硅热敏开关的应用范围可控硅热敏开关的应用范围第8章 半导