第一章温度传感器1.

1、第一章温度传感器一、简介温度传感器的定义是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，也叫做热电 式传感器二、分类将温度变化转换为电阻变化的元件：主要有热电阻、热敏电阻和高分子 NTC、PTC热敏电阻；将温度变化转换为电势的传感器：主要有热电偶和PN结式传感器；将热辐射转 换为电学量的器件：有热释电探测器、红外探测器；还有集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等三、讲述内容1、 热电阻、热电偶的测温原理和测量方法；2、热敏电阻的温度特性和应用电路；3、非结型半导体温度传感器的原理；4、结型半导体温度传感器的原理及其典型的应用电路5、集成温度传感器的原理及其

2、应用；6温度的测量和控制原理。1.1电阻型温度传感器1.1.1热电阻利用感温材料把测量温度转化为测量电阻的测温系统主要有金属热电阻式和半导体热电阻两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电 阻。它们的阻值随温度的升高有正温度系数热电阻，有负温度系数热电阻。 一、热 电阻的特性大多数金属导体的电阻随温度变化的特性方程：(100t t a R R t -+= (1 -1-1a是热电阻的温度系数(1/C。对于绝大多数金属导体,a并不是一个常数，但在一定的温度范围内，可近似地看成一个常数。 不同的金属导体，保持常数所对应 的温度范围也不同。a一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求：电阻温度系数要高，以提高

3、灵敏度。纯金属的比合金的大 a在测温范围内 化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准确性。在测温范围内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系。具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量。具有良好的可加工性，且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、铁、镍等。几种正温度系数金属热电阻的温度特性1. 铂热电阻在-1900C范围内为：电阻值与温度之间的关系可以近似表示100(1320t t C Bt At R R t -+= (1 -1-2在0630.755C范围内为:(1-1-3 1(20Bt At R R t +=由于铂为贵金属，一般用于 高精度或标准电阻温度计，2.铜热电阻铜丝在-50150C范

4、围内性能很稳定，铜电阻的阻值与温度的关系表示为：(1-1-41320Ct Bt At R R t +=但-50150C范围内为线性变化，可用二项式表 示：(100t t a R R t -+=灵敏度比铂电阻高，为(4.254.28 W-3 /C。a 3.其它热电阻铁和镍的电阻电阻率较大，故可做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。其缺点 是易氧化，且电阻值与温度的关系是非线性的铟电阻适宜在-269-258C范围内使用，测量精度高,灵敏度很高,锰电阻适宜在-271-210C范围内使用，灵敏度高，但脆性高易损坏；碳电阻适宜在-273-268.5C范围内使用，热容量小，灵敏度高。二、热电阻的结构及测量电路

5、热电阻的结构：一般将电阻丝双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上 经过固定,外面再加上保护套管热电阻的测量电路采用精度较高的电桥电路。为消除连接导线电阻随环境温度 变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法其中,R1、R2、R3为固定电阻,Ra为调零电阻,r1、r2、r3、r4为导线补偿电阻。要求接相邻桥臂上r2a的长度和相等，电阻的变化不影响电桥的状态TZ图1-1-2热电阻测温电桥的三线连接法图1-1-3热电阻测温电桥的四线连接法热电阻R A通过电阻r 1,r 2,r g的三根导线和电桥连接；电桥在零位调整时用R 4=R a +Rt 0,( Rt 0为热电阻在参考温度t 0时的电阻值。

6、三线接法中可调电阻的触 点，接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳定。四线接法中，调零的 R 0电位器的接触点和检流计串联，这样接触点的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常 工作。1.1.2热敏电阻热敏电阻是用金属氧化物和添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电 阻器，其电阻温度系数比金属的大很多，被称为热敏电阻。热敏电阻分为三种类型：正温度系数(PTC Positive Temperature Coefficient热敏电阻，负温度系数 (NTC Negative Temperature Coefficient热敏电阻临界温度系数(CTRCritical Temperature R

7、esistor热敏电阻。107106105104103102101100比电阻P ( Q c m温度(C 200PTCNTCCTR图1-1-4三种热敏电阻的电阻-温度特性一、热敏电阻特性参数1. 标称电阻值（R 25:是热敏电阻在25C时的零功率状态下的阻值。则按下式计算:25（12525-+ ?=t R R ta-1（62. 电阻温度系数（a T指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的相对值。表示：1001 ?=dTdR R TT T a 1-73. 时间常数（T等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻 的阻值从起始值变化到最终变化量的 63%时所需的时间。4.

8、 额定功率（P E :指在标准压力（750mmHg和规定的最高环境温度下，电阻长期 连续工作所允许的最大耗散功率。二、PTC热敏电阻常用的基体材料是BaTiO 3,以稀土元素为添加剂经陶瓷工艺烧结制成。1.电阻温度特性 如图PTC的电阻值随温度变化的特性曲线。曲线I中曲线很陡，称为突变型（开关型。曲线中出现一个电阻最小值R min ,当温度高于Tb后阻值才开始随温度很快地变化，则把Tb称为开关温度，在开关温度以上，温度为T时的阻值R T与温度T对应的阻值为开关电阻（R b 的关系近似为,（1-1-8 exp（0AT R R T =式中R 0为常温下热敏电阻的阻值,A为材料 常数。可以求出这种突

9、变型PTC热敏电阻的温度系数 a功:%1OO1X=? =A dTdR R TT T a (1-9式说明与温度无关。曲线U的阻值随温度变化缓慢，被称为缓变型PTC热敏电阻，其阻值R T与温度T的关系近似为线性，即：(1-1-10 BT A R T +=式中A,B为材料常数,%100X+=BTA BT a图1-1-5 PTC电阻-温度曲线表明缓变型PTC热敏电阻的电阻温度系数随温度而变化，适用于温度补偿。2.PTC的静态伏安特性曲线Ki指在一定温度下静止的空气中PTC两端的电压降与电阻稳态电流之间的关系。图中曲线AB段，由于所加电压不高，所加功耗不引起电阻的温度升高，此时流过PTC的电流与所加的电

10、压成正比，其特性与普通电阻相似，AB段与电阻线（直线1、2、3平行，但随着电压升高,功耗进一步增大温度随之上升，阻 值也急剧地上升，电流将随电压的上升而下降，图中BC段。从图中看出,BC段曲线 基本上是与功率线（直线4、5、6相平行的。电压继续增高，由于PTC热敏电阻的晶 粒边界效应，使其电流值趋于平缓，阻体的功耗随之增加，因而阻体温度也随之提高，如 图中CD段所示。若再增大电压，阻体温度将进一步提高，电流将会回升，会造成PTC 失去热自控作用，使元件烧坏。三、NTC热敏电阻大都是用Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物按一定比例采用陶瓷工艺制备而成的。1. NTC电阻的温度特性：由图1-1-

11、4中NTC的电阻值随温度下降的关系曲线，可以写出温度为T时的阻 值的近似表达式为：? =T B R R T exp 0(1-1-12式中B为材料常数,为Tx时的阻值0R对式子两边取对数有：？?？? +=T B InR InR T 0 （1-1-13由（1-1-13可以看出,TInR T 1为直线如图1-1-8所示，且B为直线的斜率。由（1-1-7式和（1-1-12式可以求出NTC小的.B -=显然,T a图1-1-7 NTC电阻的lnR T 1/T关系曲线 图1-1-8 NTC电阻的静态伏安曲线2.NTC的静态伏安特性曲线图1-1-8为典型的NTC静态伏安曲线。温度为T 0时给NTC上通有电流

12、I,则电阻两端的电压U T为：? +=T T B IR IR U T T OOexp （1M-16式中/T为热敏电阻的温度升高量,R 0exp（B/T 0是温度为T 0时NTC的阻 值。解释:当电流I很小时功耗P=I 2R很小,引起的 T可忽略，即R 0exp（B/T 0不变, 电压随电流的增大而线性增大（oa段;电流再增大，功耗使电阻温度升高即 T增大, 阻值下降，电压偏离线性，但是还随I增加（ab段;继续增大电流，电阻因升温而迅速下 降，电压越过b点很快下降（bd段，温度很高时,电阻下降缓慢，电压也下降变缓（de段, 显然电压出现极大值（b点。按使用范围大致可分为低温（-60300C、中温

13、（300600C及高温（600E三种类 型。NTC都可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路中。四、CTR热敏电阻是指在某一温度附近电阻值发生突变，且于几度的狭小温区内随温度的增加阻 值降低34个数量级。阻值的突变点称为临界温度点，此类半导体陶瓷材料在该温度点发生半导体向金属的相变，引起电导的极大变化，典型的CTR电阻材料为V20 3,其相变点可通过添加 Ge、Ni、W、Mn等元素来调整。10101102103104105温度TC电阻R （ QCTR热敏电阻温度特性曲线 不同T c的CTR电阻的电阻温度特性与相变温度对应的宏观开关温度（T c定义为电阻值下降到某一规定值（通常是 标称电阻乘以一

14、规定系数如80%时所对应的温度，该规定值称为开关电阻（R c。d-*11因为在T c处CTR的温度系数a T勺绝对值很大，但随温度的升高，温度系数的 绝对值减小到某一规定值时所对应的温度称为最低温度，最低温度对应的电阻值称 为最小电阻值R min。用降值比书来描述下降的快慢，即标称电阻R 25与最小电阻比值R min的对数，即? =mi n25lg RR书（11-18降值比越大，说明开关特性越好。由于CTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、报警、无触点开关等场 合。五、热敏电阻的结构及其特点有珠状、圆片型、方片型、棒状、厚薄膜型珠状是在两根铂丝间点上热敏浆料，烧成后封装在玻璃管中，元件体积

15、小、响应 快、精度高、高温稳定性好，适用于200C以上的温度测量。圆片型是用典型的陶瓷烧结工艺制成，在150C下稳定性好，适用于温度补偿,可 选用不同阻值、不同B值的片子相互串并联搭配共同封装于同一外壳里，可制成互 换性好的高精度热敏电阻，用于对响应时间要求不高的场合。方片型也是用陶瓷工艺烧制成的，在250r以下有良好的稳定性，适用于200r 以下的测控温及温度补偿，也可直接贴在集成块或印制板上，便于集成化。棒状具有良好的稳定性，易制成高阻值、低B值的器件，用于高温电路。厚薄膜型是用陶瓷浆料添加适量 Ru02、Rn02、Ag、Pb等导电微粒涂成膜状 烧结而成，薄膜型可用薄膜技术制备，其特点是响

16、应很快，一致性好、便于集成，可用作 辐射测温传感器。1.1.3半导体热电阻温度传感器 一、半导体热电阻温度传感器的工作原理半导体材料的电阻率p可以用下式表示：(p n pq nq 卩卩卩+=1对于P型半导体材料，则上式可以简化为:ppq ypl(1-1-20对于N型半导体，则可简化为:nnq ypl以上表明，半导体材料的电阻率主要决定于载流子（电子或空穴浓度和迁移率1.迁移率与温度的关系卩与载流子在电场作用下的散射机理有关。掺杂的锗、硅等单质半导体主要的 散射机构是声学波散射和电离杂质散射，其声学波散射迁移率 卩歩口电离杂质散射迁移 率卩与温度T的关系可以表示为：2/3*1AT m q s ?

17、=卩 ii BN T m q 2/3?=?卩（11-22而两种散射机构的关系为：is111+/32/3-?+=TBN AT m q卩i （-1-24图1-1-11可以看出在高纯样品（如N i =1013/cm 3或杂质浓度较迁移 率随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用所致。当杂质增加后，迁移率下降趋势不太显著，说明杂质散射机构的影响在逐渐加 强。当杂质浓度很高时（如1019/cm 3,在低温范围，随着温度的升高电子迁移率反而 缓慢上升，直到较高温度才稍有下降，这说明杂质散射比较显著。温度继续升高后，虽 然N i很大,但因为T增大可以使BN i T-3/2降低,这时又以晶格振动散射为主，故迁移

18、率下降。图1-1-11硅中电子和空穴迁移率与杂质浓度和温度的关系2.电阻率与温度的关系对于纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度 N i决定。N i随温度上升而 急剧增加，而迁移率（卩和卩p只稍有下降，所以电阻率将相应地降低一半左右；本征半导 体丄UUZ1UU电阻率随温度增加而单调地下降。对于杂质半导体，载流子浓度受杂质电离和本征激发两个因素影响，因而电阻率随温度的变化关系更为复杂。当硅的杂质浓度一定时，电阻率与温度的关系如图1-1-12所示曲线大致分为三段：在AB段，温度很低本征激发可忽略，载流子主要由杂质 电离提供，它随温度的升高而增加，迁移率也随温度升高而增大，所以电阻率随温度升 咼而

19、下降。BC段中，温度继续升高杂质已全部电离，本征激发还不十分显著，载流子浓度基本上不随温度变化。迁移率随温度升高而降低，所以电阻率随温度升高而增大PiCD段:温度继续升高，本征激发很快增加，大量本征载流子的产生远远超过迁移 率减小对电阻率的影响。杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧下降。温度高到本征导电起主要作用时，一般器件就不能正常工作。一般地说，锗器件 最高工作温度为100C ,硅为200C，而砷化傢可达450Eo硅电阻率与温度关系 二、硅热电阻的结构和制作工艺有两种结构形式如图1-1-13所示，一是棒状（图a b,二是扩散电阻型（图co目 前棒状电阻主要的结构为图b形式它是用厚250卩

20、m长宽为500卩m的n型硅片制成 的平面结构。上电极与圆形欧姆接触区相接；下电极也是与作为欧姆接触的厚约 3.5卩的 n +型区相接。图c扩散式电阻，若扩散区的宽度为 W ,长度为，则电阻的阻 值为:L WLR R 口=(1-1-25 (a棒状电阻的立体图金属电极半导体单晶棒金属电极Ag电极SiO 2N-Si N +N +Ag电极(b棒状电阻的剖面图接线孔(C芯片上扩散电阻示意图p方块电阻为：W图1-1-13硅温度传感器的结构已知扩散区半导体材料的电阻率R 2 p(1-1-26而利用半导体电阻率随着温度的变化和调整扩散区的宽度可以制成温度传感三、硅热电阻的特性1.电阻一温度特性20硅电阻随温度

21、的变化特性如图1-1-14所示。当硅温度传感器处于加一定电压 时保持偏置电流为1mA;在55175C温度范围内，电阻值随温度的升高而增大 具有 较好的线性度，误差小于 吃。室温下（25T ,电阻值为1000欧姆，误差在%以内。2.电阻温度系数硅热电阻的电阻温度系数a T由下式给出：（2525- ?=T R R In T TaX(%0O%-50随着温度的升高,a值减小。图1-1-15所示。硅温度传感器在不同温度下电阻 与电流的关系如图1-1-16所示，表明,对于不同的温度，当电流超过1mA时电阻就会 增大。这是由于电流的自身热效应使电阻增大。因此硅温度传感器的工作电流应小 于1mA为宜。OOOO

22、55550-5050100150温度C电阻温度系数（%C2.52.01.51.00.50.10.51510电流（mA电阻（K Q图1-1-15硅热电阻的电阻温度系数 图1-1-16硅热电阻的电阻与电流的关系50-5Ca T与温度的关系1.1.4电阻式温度传感器的应用电阻温度传感器不仅用作温度的测量和控制，还可应用于温度补偿，过热过电流 保护，无触点开关等许多场合。下面简单给出几个例子。、温度检测及指示图1-1-17为简单的测量温度电路原理图，具体测量时,给电路加上调零电阻，将R拉到被测现场。如汽车水温测量、自动热水器、电冰箱等家用电器的温度控制等。由于此电路没有用繁杂的二次仪表，因而性能稳定可

23、靠图1-1-17温度测量电路图1-1-18流量测量的电路原理图图1-1-18中当液体静止时，调整调零电阻Ra，使检流计为0。当液体流动时，NTC热敏电阻Rt1与Rt2的阻值变化不同，使流过电流表的电流发生变化RRR二、温度补偿电路图1-1-19中利用热敏电阻的温度特性对各种晶体管进行温度补偿。如图NTC热敏电阻对晶体管进行补偿的电路。温度升高时图中晶体管的Vbe下降，而RT下降，即RT /Rb，减小，使R上压降增加，这样补偿了 Vbe的下降引起的Ie增加。图b为对晶体管IeR的补偿，其中的温度补偿元件为缓变型 PTC电阻，温度升高RT增大，补偿了因Vbe下降而使电流IKKe的增加(a NT的补

24、偿图1-1-19晶体管的温度补偿电路三、过热保护始R较小，变压器上电流大，功耗也大，使温度上升,R T随之增加，电流又减小，变 压器功耗减小，防止了变压器过热。C对V be的补偿(b PTC对I e有直接保护和间接保护两种形式。图1-1-20为PTC电阻对马达、变压器的过热保护电路。图a中按下开关K时R T较小,其上电流大,继电器J吸合，马达转动,K又自动打开，电源通过J给马达、PTC电阻提供电流, 马达转动温度升高，R T值增大使其上分流下降，当马达温度过高I Rt小于一定值 时J断开,保护了马达过热状态。图b中接上电源，起(a马达保护保护图1-1-20 PTC的过热保护电路四、自动延时电路

25、器因电流小而不动作，灯没有亮，经过一定时间后,R因功耗而增大，分流减小，当 继电器上电流增大到可动值时才动作，即继电器动作延迟，灯也就延迟打开，延迟时间 可由R 0(b变压器图1-1-21给出一种延迟开关原理图，当电源接通时,R T较小，此支路的分流大，继电T调节图1-1-21自动延时电路 图1-1-22马达启动原理图图1-1-22为空调机、电冰箱、电风扇微风档等设备的马达启动原理电路。一 般马达启动时，需要较大的启动功率，而当其正常运转时，所需功率大幅度减小。附加 启动绕组L 2只在电机启动时工作，运转正常后自动断开。PTC热敏电阻器在此充 当自动通断的无触点开关。其原理是把 PTC元件与L 2串联,由于热敏电阻的冷态 电阻远小于线圈阻抗R L2,因此对启动电流几乎没有影响。随着热敏电阻被加热，电阻值升高，当电阻值升高到远大于 R L2时,启动绕组视同切断。五、控温电路KKn1 22OV图1-1-23为NTC热敏电阻与继电器组成的控温电路。起初温度较低,R t较大,调整电桥平衡，加热器加热；当温度升高，继电器上开始有电流，当温度高于T 0时，电 桥输出使线圈电流