半导体敏感元件热敏元件与温度传感器.ppt

,热敏元件与温度传感器,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,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。,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,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,若两种导体相同：NA=NBE=0,若两端无温差：T=T0E=0,两种特殊情况,2.热电偶,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。,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。,B,B,A,T2,T1,T3,A,A,B,EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）,2.3常用热电偶材料,2.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,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,热相应时间达到微秒级。,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,2.5热电偶的冷端补偿,热电势:,A0恒温法,测温:获得TT0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,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,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,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。,(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,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,热电阻结构,3热电阻,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,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,4半导体陶瓷热敏电阻,A负温度系数热敏电阻(NTC),数学表达式,导电机理,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,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。,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,散射结构,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，,测温电路,测温电路,V0=(VBE+100*W1)(1+W2/R1)-100*W2,REF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。,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,7IC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。,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,7IC温度传感器,工作原理分析,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。,7IC温度传感器,AD590集成温度传感器,T1,T3,T6构成恒流源,Ic1=Ic3=I1=2Ic6,Ic10=Ic7+Ic8=Ic1=I1,Ic9=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,7IC温度传感器,A主要电路分析,AD590集成温度传感器,KT标定因子，为1A/。,I=KTTK,AD590伏安特性曲线,工作电压：4V30V,B)AD590伏安特性,电流型温度传感器,7IC温度传感器,省略非线性项后则有:,I=KTTc273.2,C)AD590温度特性,Tc摄氏温度；I的单位为A。,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,7IC温度传感器,电压型集成温度传感器,7IC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,特点：“失调电压”小