【热电变换器的基本结构及其工作原理分析2500字】

–PAGE28–热电变换器的基本结构及其工作原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u12088热电变换器的基本结构及其工作原理分析 1271301.1热电变换器的概述 1138581.2多元薄膜热电变换器工作原理 358451.3热电堆式多元薄膜热电变换器的基本结构 5138001.4量程自动转换电路系统总体方案设计 51.1热电变换器的概述热电变换器是目前国际上最精确的交流电压标准，被大部分国家标准实验室作为计量交流电压及交流电流的参考基准。热电变换器由加热电阻和温度传感器组成，交流电压和直流电压依次轮流施加在加热电阻上，产生焦耳热使得加热电阻温度升高，温度传感器测量加热电阻的温度，比较它们的输出信号，就可以获得交流电压产生热功率的大小。对于理想的热电变换器，等功率的交流和直流电压依次施加在相同的加热电阻两端，温度传感器输出电压也应当相等。作为交直流转换标准核心的热电变换器有以下三种主要类型：单元热电变换器(SingleJunctionThermalConverter，SJTC)、立体多元热电变换器(3DMultijunctionThermalConverter，3D-MJTC)、薄膜型热电变换器(ThinFilmMultijunctionThermalConverter，FMJTC)。上世纪50年代，美国国家标准技术研究院（TheNationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）首次提出了单元热电变换器（SingleJunctionThermalConverter，简称SJTC）的概念REF_Ref5712\r\h[33~REF_Ref23615\r\h34]，单元热电变换器又称为单结热电变换器。典型结构如图1.1所示，通过电绝缘材料连接的加热丝与热电偶热接触并被集成在真空玻璃泡中，热电偶为温度传感器，当加热丝通入交流或直流电压时产生的焦耳热不同，热电偶输出的电动势也不相同。SJTC输出热电势信号仅在毫伏量级，SJTC输出的热电势和加热丝中流过的电流之间并不是严格的平方关系。SJTC不适合批量生产，价格昂贵。图1.SEQ图2.\*ARABIC1单元热电变换器结构图上世纪70~80年代由德国联邦标准实验室(Physikalisch-TechnischeBundesanstalt，PTB)研制的Wilkins型多元热电变换器，如图1.2所示。Wilkins型多元热电变换器是立体多元热电变换器的典型代表，其结构更加复杂，温度传感器由单个的热电偶变成了多个热电偶并列串联组成的热电堆REF_Ref5712\r\h[35]。图1.SEQ图2.\*ARABIC2立体多元热电变换器随着热电变换器作为交直流转换标准的广泛应用，高精度、高频、价格便宜的热电变换器的研制受到了国际学者的重视。1989年德国联邦标准实验室研制了世界上第一只薄膜热电变换器REF_Ref5839\r\h[36]。图1.SEQ图2.\*ARABIC3PTB研制的薄膜MJTC结构图薄膜热电变换器采用集成在3mm×6mm的绝热薄膜上的108对CuNi44-Cu热电偶组成的热电堆测量集成在同一绝热薄膜上的薄膜加热电阻器的温度，故称作多元薄膜热电变换器REF_Ref6035\r\h[37]。其典型结构如图1.3所示。SiO2/Si3N4薄膜的低导热性为热电堆提供了更好的热隔绝条件，减小了由加热电阻到衬底的热量损耗，提高了薄膜热电变换器的灵敏度。基于热电堆的多元薄膜热电变换器具有以下优点：(1)温度敏感元件本身不产生热量。(2)背面各向异性腐蚀制作的Si3N4/SiO2/Si3N4薄膜具有优异的绝热性能，热电堆输出电压较大。(3)热电堆具有理想的周期性结构，减小了汤姆逊效应引入的交直流转换误差。(4)采用微机械加工技术批量制作，与立体多元热电变换器相比成本显著降低。1.2多元薄膜热电变换器工作原理热电堆式多元薄膜热电变换器采用赛贝克效应（Seebeckeffect）设计制作，如果两种不同的材料或者材料相同而逸出功不同的物体A和B，在热结相连，而在冷端区开路，热结和冷结存在一定的温差△T，则在冷端的两端就会产生一开路温差电动势Uout，赛贝克效应的数学公式可表述为 （2-1）式中，αA，αB为导体A、B的绝对赛贝克系数，α为热电偶的相对赛贝克系数，单位是mV/K(uV/K)。图1.SEQ图2.\*ARABIC5热电偶热电势示意图基于热电堆测温技术的薄膜热电变换器实现了非接触式测量，加热电阻和热电堆的热端处于悬浮薄膜上，有效的减小了经硅衬底的热量损耗，可显著减小因热电效应，寄生电容和介质损耗引起的交直流转换误差。当在加热电阻R上施加一个纯交流信号时，产生的热功率为： (2-2)热电堆式薄膜热电变换器，由热电堆热端敏感加热电阻产生的热功率引起的温度变化，冷端的温度与环境温度保持一致。热端温度升高，而冷端温度不变，导致热结与冷结温差增大，通过赛贝克效应，热电堆将温差转换为电压输出。因此可以通过热电堆两端的输出电压来判断交流电压的有效值。不同的电功率产生的焦耳热不同，温度传感器输出的电动势也不同。在薄膜热电变换器加热电阻的输入端依次施加交流和直流电压，使热电堆输出相同的热电势。热电堆输出热电势由mV表检测，电路基本结构如图1.6所示。当用来测量电压时，热电变换器被称为热电电压变换器（TVC）REF_Ref26626\r\h[38REF_Ref27331\r\h~40]。图1.SEQ图2.\*ARABIC6热电变换器测量交流信号原理图1.3热电堆式多元薄膜热电变换器的基本结构本课题组研制的热电堆式多元薄膜薄膜热电变换器芯片基本结构如图1.4所示。由绝热薄膜、加热电阻、热电堆和硅衬底组成多元薄膜热电变换器芯片。加热电阻位于绝热薄膜中心，绝热薄膜由二氧化硅、LPCVD氮化硅和PECVD氮化硅三层薄膜组成，加热电阻两侧放置着对称的热电堆，确保加热电阻产生的焦耳热能均匀分布在热电堆。加热电阻是由中心为氮化硅绝缘层和包围绝缘层的导电层组成，可以有效的减小趋肤效应对热电转换器性能的影响；采用低温度系数的NiCrSi材料制作加热电阻，降低了温度变化对电阻阻值的影响；热电堆具有理想的周期性结构，减小了汤姆逊效应引入的交直流转换误差；热电堆式热电变换器时间常数小（ms级），响应速度非常快。当电压流过加热电阻时，使其温度升高，热电堆作为热电变换器的温度敏感元件，吸收加热电阻辐射的焦耳热后，产生热电势。当流过的电压不同时，产生的热电势也不同。图1.SEQ图2.\*ARABIC4热电堆式多元薄膜热电变换器基本结构示意图1.4量程自动转换电路系统总体方案设计本文设计的基于热电变换器宽频高精度量程自动转换装置系统结构框图如图1.7所示。自动量程转换电路单元的作用：（1）扩大电压测量范围，将待测信号通过衰减器或放大器自动快速准确的规范到热电变换器基本工作范围内。自动量程转换电路单元设计了由阻容网络分压电路，可变增益放大器，高速缓冲器，AC-DC转换电路，继电器控制电路，单片机等环节组成量程自动转换电路。阻容网络分压电路完成对大电压信号进行衰减的功能；可变增益放大器和高速缓冲器完成对小电压信号进行放大的功能；AC-DC转换电路，继电器控制电路，单片机实现对电压信号的通道选择功能，使得输入电压信号在短时间内自