半导体敏感元件热敏元件与温度传感器

1、半导体敏感元件热敏元件与温度传感器第1页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二本章主要内容1.概述2.热电偶3.热电阻4.半导体陶瓷热敏电阻 5.硅电阻温度传感器6.半导体热敏二极管7.集成温度传感器第2页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二1.概述 液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计 玻璃管温度计 双金属温度计 温度最本质的性质 当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。第3页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二 温度 分类接触测温非接触测温热辐射测温热传导测温热阻式热电式金 属热

2、电阻半导体半导体陶瓷热敏电阻热电偶温 度传感器 敏感元件 电参数PN结式集成温度传感器 测量方法1.概述热敏二极管热敏三极管 温度传感器第4页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二2.1 工作原理（热电效应，或称为赛贝克效应）两种不同导体构成闭合回路两个节点（A、B）温度不同 温差电势（汤姆逊电势）A-汤姆逊系数 接触电势（珀尔贴电势）不同导体自由电子密度不同扩散电势 同一导体两端温度不同电子迁移（高 低） 电势 2.热电偶电动势第5页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二若两种导体相同： NA=NB E=0若两端无温差： T=T0 E=0 两种特殊情况 2.热

3、电偶2.1 工作原理=F(T)-F(T0)若T0为常数， E(T,T0)=F(T)-C注：热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。第6页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二2.2热电偶基本定律 中间导体定律2.热电偶 中间温度定律热电偶中接入第三种材料，只要接入材料两端温度相等，热电偶总热电势不变。BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）第7页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二2.3 常用热电偶材料材料实用使用测温范围分度号铂铹

4、10纯铂0 1600 S铂铹13纯铂0 1600 R铂铹30铂铹60 1800 B镍铬(90%,10%)镍硅(97.5%,2.5%)-40 1300 K2.热电偶分度表-热电势与热端温度之间关系列成表格冷端为0 第8页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二a) 普通热电偶：结构：1-热电极 2-绝缘套管 3-保护套管 4-接线盒 b) 铠装热电偶：结构：热电极 + 绝缘材料 + 金属保护套c) 薄膜型热电偶：2.热电偶2.4 热电偶结构 特点：细长(13mm)，可以弯曲，挠性好，强度高测端热容量小，动态响应快(0.01s)。具有热容量小, 反应速度快等的特点, 热相应时间达到微

5、秒级。第9页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二普通工业热电偶2.热电偶（thermocouple）2.4 热电偶结构 普通工业热电偶铠装热电偶表面温度热电偶第10页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二2.5 热电偶的冷端补偿 热电势:A 0恒温法测 温: 获得T T0固定 T0=0（冷端）冷 端：干扰、波动 T00 误差 冷端温度补偿冷端温度补偿方法：2.热电偶适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用第11页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二冷端温度补偿方法：2.热电偶设：冷端温度恒为t0（t00）被测温度为 t 修正公式冷端 t0的

6、热电势测量得出的热电势 被测温度 t 的热电势 将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0, 0)。 B 冷端温度修正法 C仪表机械零点调整法 第12页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二材料：纯金属 -铂、铜、镍、铁 3热电阻原理：热能 热电阻 电阻值温度 热电阻 阻值在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为当-190t0时A=3.9684710-3/,B=-5.84710-7/2,C=-4.2210-12/4铂电阻 T R热电阻特点：(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好。不能用于还原介质 。

7、 (2) 输入输出特性接近线性构成：金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈第13页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二3热电阻在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为温度0时的电阻值 :铜电阻温度系数（4.2510-3- 4.2810-3/)铜电阻第14页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二 热电阻结构 3热电阻第15页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二 铂电阻温度传感器采用日本进口薄膜铂电阻元件精心制作而成，具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点, 适用于小管道（1/2英吋8英吋）以及狭小空间高精度测温领域，与二

8、次显示表以及PLC配合。 热电阻结构 3热电阻第16页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制备的具有半导体特性的热敏电阻。4 半导体陶瓷热敏电阻分类B正温度系数热敏电阻(PTC)A负温度系数热敏电阻(NTC)C临界温度系数热敏电阻(CTR) 温度范围较窄，一般用于恒温加热控制，或者温度开关。一些功率PTC元件作为发热元件使用;测温范围宽，主要用于温度测量;温控开关第17页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二4 半导体陶瓷热敏电阻A负温度系数热敏电阻(NTC)105104103102 0-101030507085100120T/C

9、电阻/NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线 数学表达式 导电机理第18页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二（b）居里温度以上（a）电子晶界居里温度B 正温度系数热敏电阻(PTC)4 半导体陶瓷热敏电阻 实验公式lnRTT 表示PTC热敏电阻电阻-温度曲线lnRr1lnRr2BPmRT1T2lnRr0lnRrT 导电机理总结：导电机理-多晶材料的晶粒间界处势垒随温度变化。第19页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二5 硅电阻温度传感器利用半导体材料电阻率随温度变化的特性进行温度测量。硅电阻率与温度关系示意图A 纯半导体材料 ni随温度增加而增大，室温附近，温度增

10、加8摄氏度，硅的ni就增加一倍，因为迁移率只有稍微下降，电阻率降低一半左右；B 杂质半导体载流子产生杂质电离本征激发散射结构电离杂质散射晶格散射第20页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二 当电流密度J保持不变时， PN结正向压降随着温度T的上升而下降，近似线性关系，对于硅二极管，温度升高1摄氏度，正向电压下降2mV。利用半导体PN结的正向压降与温度关系实现温-电转换。6半导体热敏二极管本征载流子浓度与温度的关系 ni=CT3/2exp(-Eg0/2kT)对于理想PN结：300K，且硅管Uf=0.65V时，在强电离,小注入,Vf大于几个KT/q时，第21页，共32页，2022

11、年，5月20日，1点48分，星期二测温电路 测温电路V0=(VBE+100*W1)(1+W2/R1)-100*W2REF为双恒流源集成芯片，提供两路100A的恒定电流。三极管C-B结短接用作热敏二极管6半导体热敏二极管 灵敏度 非线性误差W2灵敏度调节W1调零电阻非线性误差不仅与温度有关，而且与正向电流有关。第22页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二集电极电流I与Vbe的关系:(1)(2)(3)(4)集成电路对管温度传感器7 IC温度传感器 工作原理分析总结：输出电压与绝对温度T成比例，线性较好，其比例系数只取决于4个电阻比值。第23页，共32页，2022年，5月20日，1

12、点48分，星期二根据镜像电流源原理Ic1=Ic2=Ic3=Ic4=I1晶体管的反向饱和电流与发射结面积成正比Is3=Is4总结：I0与温度具有良好的线性关系。改进型集成电路对管温度传感器7 IC温度传感器 工作原理分析第24页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二电路图电流型温度传感器 电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590。器件电源电压430V， 测温范围-50+150。7 IC温度传感器 AD590集成温度传感器第25页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二T1,T3,T6构成恒流源Ic1= Ic3= I1= 2

13、 Ic6Ic10= Ic7+ Ic8= Ic1=I1Ic9= Ic11= Ic1=Ic3总结：电流与温度成正比，误差较小，且线性较好。电流型温度传感器7 IC温度传感器A 主要电路分析 AD590集成温度传感器第26页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二KT标定因子，为1A/。 I = KT TK AD590伏安特性曲线工作电压：4V30VB) AD590伏安特性电流型温度传感器7 IC温度传感器 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590温度特性曲线省略非线性项后则有:I=KTTc273.2C) AD590温度特性Tc摄氏温度；I 的单位为A。第27页，共3

14、2页，2022年，5月20日，1点48分，星期二D) AD590的测量电路 AD590在温度25（298.2K）时，理想输出为298.2A，实际存在误差，可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K 的关系。 AD590 典型应用电路(1)电流型温度传感器7 IC温度传感器AD590 典型应用电路(2)第28页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二电压型集成温度传感器电路T3T5T4T2T1R1R2VccV0电压型集成温度传感器7 IC温度传感器 电压型PTAT集成温度传感器电路分析：输出电压正比于绝对温度的集成温度传感器。输出电压： 具有内部参考电压的温度传感器温度传感器参考电压V0特点： “失调电压”小，标定简单，使用方便，电路需要校准，成本高。第29页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二 数字输出温度传感器7 IC温度传感器 Smartec温度传感器是数字输出硅传感器，一线制输出可以直接和控制器连接而无需AD转换。温度范围为45 to 150 . 传感器可提供多种封装。 第30页，共32页，2022年，5月20日，1点48分，星期二7 IC温