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1、半导体敏感元件热敏元件与温半导体敏感元件热敏元件与温度传感器度传感器沈 阳 工 业 大 学本章主要内容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.集成温度传感器沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学沈 阳 工 业 大 学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
2、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, 热相应时间达到微秒级。沈 阳 工 业 大 学2.热电偶（thermocouple）2.4 热电偶结构 铠装热电偶表面温度热电偶沈 阳 工 业 大 学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)()(0TfTfE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沈 阳 工 业 大 学冷端温度补偿方法：2.热电偶设：冷端温度恒为t0（t00）被测温度为 t 修正公式)0 ,(),()0 ,(00tEttEt冷
3、端 t0的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 沈 阳 工 业 大 学材料：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)100(1 320ttCBtAtRRt当-190t0时1 20BtAtRRtA=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
4、，工艺性好。不能用于还原介质 。 (2) 输入输出特性接近线性构成：金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈沈 阳 工 业 大 学3热电阻在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为)1 (0tRRt温度0时的电阻值 :铜电阻温度系数（4.2510-3- 4.2810-3/)铜电阻沈 阳 工 业 大 学 热电阻结构 3热电阻沈 阳 工 业 大 学 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，与二次显示表以及PLC配合。 热电阻结构 3热电阻沈 阳 工 业 大 学金
5、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;温控开关沈 阳 工 业 大 学4 半导体陶瓷热敏电阻A负温度系数热敏电阻(NTC)011exp0TTBRRNTT0ln11ln0TNTRTTBR105104103102 0 -101030507085100120T/C电阻/NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线 数学表达式 导电机理沈 阳 工 业 大 学
6、（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0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBRlnRTT 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。沈 阳 工 业 大 学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
7、本征激发散射结构电离杂质散射晶格散射沈 阳 工 业 大 学 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：)(2DpDAnnisNLDNLDAqnIKTqUsffeIIKTqVDpDAnnKTqVsggeBTNLDNLDeAqCTI33)(KTqUKTqVFfgeBTI3qKTVUdTdUgff3fgfIBTqKTVU3ln300K，且硅管Uf=0.65V时
8、，KmVdTdUf/2在强电离,小注入,Vf大于几个KT/q时，沈 阳 工 业 大 学测温电路 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TUSfW2灵敏度调节W1调零电阻qKTVUdTdUgff3非线性误差不仅与温度有关，而且与正向电流有关。沈 阳 工 业 大 学集电极电流I与Vbe的关系:be1s1c1VKTqexpIIbe2s2c2VKTqexpII12340ln)RR(1RRqKTV(1)(2)(3)(4)集成电路对管温度传感器12c2
9、c1be2be1beRRlnqKTIIlnqKTV-VV)RR(1V)I-RV(V34be4c23bebe0RV7 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。沈 阳 工 业 大 学be3s3c3VKTqexpIIbe4s4c4VKTqexpII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=Is4RIlnqKTV1belnqRKT2I0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 工作原理分析沈 阳 工 业 大 学电路图电流型温度传感器 电流输
10、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集成温度传感器沈 阳 工 业 大 学61be911RIln8qKTVVbeT1,T3,T6构成恒流源Ic1= Ic3= I1= 2 Ic6Ic10= Ic7+ Ic8= Ic1=I1Ic9= Ic11= Ic1=Ic3ln8qRKT3I60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集成温度传感器沈 阳 工 业 大 学KT标定因子，为1A/。 I = KT TK AD590伏
11、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。沈 阳 工 业 大 学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)沈 阳 工 业 大 学电压型集成温度传感器电路T3T5T4T2T1R
12、1R2VccV0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。ln11qRKTIR输出电压：ln120qKTRRV 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。沈 阳 工 业 大 学 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。 沈 阳 工 业 大 学7 IC温度传感器 DS1820的工作原理电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图64bitROM和单线接口存储器控制逻辑温度测量电路DS1820的管脚排列沈 阳 工 业 大 学作业1.对于掺杂的硅、锗等原子半导体，探讨其迁移率与温度的关系。2.分析电压型集成温度传感器工作原理（p102）。3.解释温标。4.了解其他测温方法。