微传感器与微执行器4-1

1、 第四章第四章 热传感器与执行器热传感器与执行器 本章内容：简单介绍温度传感器的分类以本章内容：简单介绍温度传感器的分类以 及电阻式温度传感器的基本原理，然后以及电阻式温度传感器的基本原理，然后以 半导体温敏二极管、晶体管和集成电路为半导体温敏二极管、晶体管和集成电路为 主要对象，介绍半导体温度传感器的基本主要对象，介绍半导体温度传感器的基本 结构、原理和温度特性，最后简单介绍半结构、原理和温度特性，最后简单介绍半 导体制冷器。导体制冷器。 l第一节第一节 温敏传感器的分类温敏传感器的分类 l 定义：温度传感器就是利用金属、半导 体等材料的热敏特性或者PN结正向电压 随温度变化的特性制成的温度

2、敏感器件。 l用于制造温敏传感器的材料有导体、 半导体、电介质、磁性材料、有机高分子 材料等。 l 温度传感器可以分成接触式热敏传感器和非接温度传感器可以分成接触式热敏传感器和非接 触式热敏传感器两大类。触式热敏传感器两大类。 l 接触式热敏传感器包括：热敏电阻类如半导体接触式热敏传感器包括：热敏电阻类如半导体 陶瓷热敏电阻、铂电阻、铜电阻等；陶瓷热敏电阻、铂电阻、铜电阻等；PNPN结热敏传结热敏传 感器如热敏二极管、热敏晶体管、集成电路温度感器如热敏二极管、热敏晶体管、集成电路温度 传感器等。其它如热电偶，由不同金属丝组成的传感器等。其它如热电偶，由不同金属丝组成的 温差电偶。温差电偶。 l

3、 非接触式热敏传感器：非接触式热敏传感器：MOSMOS场效应红外探测器、场效应红外探测器、 红外吸收型温度传感器，光纤温度计等。红外吸收型温度传感器，光纤温度计等。 l 各种类型的温敏传感器分类见图各种类型的温敏传感器分类见图4 41 1中的温度中的温度 传感器分类。传感器分类。 l半导体温敏传感器，以灵敏度高、体积小、半导体温敏传感器，以灵敏度高、体积小、 响应速度快、成本低、容易功能化集成化响应速度快、成本低、容易功能化集成化 等特点，得到广泛应用。半导体温度传感等特点，得到广泛应用。半导体温度传感 器的主要缺点是使用的温度范围较小。器的主要缺点是使用的温度范围较小。 l热敏电阻器、热敏电

4、阻器、PN结、集成式温度传感器等结、集成式温度传感器等 l第二节第二节 热敏电阻器热敏电阻器 l热敏电阻器是电阻值随温度变化的一类常用传感热敏电阻器是电阻值随温度变化的一类常用传感 器，其基本物理特性分为两种：器，其基本物理特性分为两种： l（1）负温度系数）负温度系数NTC热敏电阻，其阻值随温度热敏电阻，其阻值随温度 上升呈指数下降；上升呈指数下降； l（2）正温度系数）正温度系数PTC热敏电阻，其阻值随温度热敏电阻，其阻值随温度 上升呈非线性增大；上升呈非线性增大； l一、一、 NTC负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻 l 负温度系数热敏电阻阻值随温度上升而下降，主要负温度系数热敏电阻阻

5、值随温度上升而下降，主要 以氧化镍、氧化锆、氧化锰等金属氧化物成分经混合，以氧化镍、氧化锆、氧化锰等金属氧化物成分经混合， 成型，烧结形成金属氧化物半导体热敏电阻。成型，烧结形成金属氧化物半导体热敏电阻。 l 工作机理工作机理：类似半导体载流子浓度与温度的关系。：类似半导体载流子浓度与温度的关系。 温度很低时，大部分载流子被周期性的晶格势阱俘获，温度很低时，大部分载流子被周期性的晶格势阱俘获， 此时电阻很大。当温度升高时，被激发到导带的载流此时电阻很大。当温度升高时，被激发到导带的载流 子数目增多，导致半导体内载流子浓度和迁移率发生子数目增多，导致半导体内载流子浓度和迁移率发生 变化，引起电阻

6、变化。热敏电阻的温度特性：变化，引起电阻变化。热敏电阻的温度特性： l (41) l (42) l式中式中R、R、R分别为任意温度、基准温度和极限温度时的电分别为任意温度、基准温度和极限温度时的电 阻值。阻值。 E为杂质在半导体中的电离能，为杂质在半导体中的电离能，B= 10005000K为特为特 征常数征常数(B=E /2k)。对上式微分可以到热敏电阻的温度系数。对上式微分可以到热敏电阻的温度系数 ： l (43) e x p ()() 2 EB e x p k TT exp()exp() a a BBB RRR TTT 2 d RB d TT 图图43(a) NTC热敏电阻器的温度特性和热

7、敏电阻器的温度特性和V-I 特性特性 lNTC热敏电阻的IV特性： l 小电流时，Rt呈欧姆特性；较大电流时因Rt自 身发热使Rt下降，呈负温度特性和负阻特性。 l二PTC正温度系数热敏电阻 l 以钛酸钡类烧结体为基体，掺入少量稀土元素以钛酸钡类烧结体为基体，掺入少量稀土元素 （如二氧化钇等）控制原子价，使其成为多晶半（如二氧化钇等）控制原子价，使其成为多晶半 导体。导体。 l 导电机理导电机理：在低温时，晶粒间的电子势随温度在低温时，晶粒间的电子势随温度 升高而升高，导致电子迁移率下降，使电阻随温升高而升高，导致电子迁移率下降，使电阻随温 度升高而增大。当温度升高到居里温度以上时，度升高而增

8、大。当温度升高到居里温度以上时， 晶粒间界处的电子势垒突然增高，电子迁移率迅晶粒间界处的电子势垒突然增高，电子迁移率迅 速下降，热敏电阻的阻值急剧增大。速下降，热敏电阻的阻值急剧增大。 l 因此，PTC热敏电阻的导电机理是因为多晶 材料的晶粒间界处势垒随温度变化而变；当温度 到达居里点时PTC热敏电阻阻值突然变大是因为 半导体晶体在高温下发生相变的缘故。 l 控制不同的掺杂，可以控制材料的居里点。 利用热敏电阻的该特点，可以用PTC作为过热限 流或保护电阻。PTC热敏电阻的电阻温度特性见 图43c。 l 对于PTC热敏电阻，掺入不同的杂质，热敏 电阻的温度特性就有可能发生显著变化。因此可 以通

9、过改变掺杂，来获得不同温度特性的热敏电 阻。如图中的钛酸锶钡、钛酸铅钡、钛酸钡三种 材料在不同配比下的电阻温度特性。 l图43(c) PTC热敏电阻温度特性 图43（d） PTC热敏电阻的导电机理 图43（e） PTC热敏电阻的导电机理 l第三节第三节 硅温度传感器硅温度传感器 l 包括利用硅材料电阻率随温度变化或者利用 PN结正向电压的温度特性制成温度传感器。 l一硅温度传感器的基本机理 l 半导体材料的电阻率主要取决于载流子浓度 与迁移率，这两者均与温度密切相关，它们与电 阻率的关系可表示为： l （44） l 对于P型和N型半导体，电阻率可以近似表示 为： 和 这表明半导体的电阻率主要取

10、决于载流子的浓度 和迁移率，而这两者均与温度密切相关。 1 np n qp q 1 p p q 1 n nq l（1）迁移率与温度的关系）迁移率与温度的关系 l 半导体中载流子的迁移率与载流子的散射机理 有关。对于锗、硅等半导体材料， 主要散射机构是 声学波散射（晶格散射）和电离杂质散射。声学波 散射迁移率s和电离杂质迁移率i 可表示为： l 和 l从式中可知，迁移率与温度的关系如下： l式中A、B是常数，M*是载流子有效质量，Ni是电 离杂质浓度，T为绝对温度。 *3 / 2 1 s q mA T 3 / 2 * i i Tq mB N 3/ 2 ,; SS TT 3/2 , ii TT l

11、而实际的半导体迁移率可表示为：而实际的半导体迁移率可表示为： l （45） l代入之后表达式为：代入之后表达式为： l （46） 低温时，载流子迁移率主要受电离杂质散射影响，低温时，载流子迁移率主要受电离杂质散射影响， T上升，上升，i 上升，上升，增大，电阻率下降；较高温度时增大，电阻率下降；较高温度时 晶格散射起主要作用，晶格散射起主要作用，T上升，上升， s下降，下降， 下降，下降， 电阻率上升。电阻率上升。 111 si *3/23/2 1 / i q mATBNT （2）电阻率与温度的关系）电阻率与温度的关系 a.对于本征半导体对于本征半导体，电阻率主要由本征载流，电阻率主要由本征载

12、流 子子 浓度浓度ni决定。在室温附近，温度每增加决定。在室温附近，温度每增加 8 度，硅度，硅 的的 ni 就增加一倍，电阻率降低一半；对于锗材料，就增加一倍，电阻率降低一半；对于锗材料， 温度每增加温度每增加12度，本征浓度增加一倍，电阻率降低度，本征浓度增加一倍，电阻率降低 一半。因此，在室温附近，本征半导体电阻率随温一半。因此，在室温附近，本征半导体电阻率随温 度增加而单调下降。度增加而单调下降。 l b.对于杂质半导体对于杂质半导体，既有杂质电离和本征激，既有杂质电离和本征激 发两种因素，发两种因素， 又有电离杂质散射和晶格散射两种机又有电离杂质散射和晶格散射两种机 构，因此电阻率随

13、温度的变化关系更为复杂。当硅构，因此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的杂质浓度一定时，电阻率与温度的关系如图45 所示。所示。 l 图图46给出硅中电子和空穴迁移率与杂质浓度给出硅中电子和空穴迁移率与杂质浓度 及温度的关系。及温度的关系。 AB段：段：温度低于温度低于100度，本征激发可以度，本征激发可以 忽略，载流子主要由电离杂质提供，它随温度忽略，载流子主要由电离杂质提供，它随温度 升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移 率也随温度升高而增大，所以电阻率随温度升率也随温度升高而增大，所以电阻率随温度升

14、高而下降。高而下降。 l BC段：段：温度继续升高到温度继续升高到100度度200度范度范 围，杂质已经全部电离，本征激发还不很明显，围，杂质已经全部电离，本征激发还不很明显， 载流子基本不随温度变化，晶格振动散射上升载流子基本不随温度变化，晶格振动散射上升 为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以 电阻率随温度升高而增大。电阻率随温度升高而增大。 l C段段：温度继续升高，本征激发很快增加，：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少对大量本征载流子的产生远远超过迁移率减少对 电阻率的影响。这时，本征激发成为主要因素，电阻

15、率的影响。这时，本征激发成为主要因素， 杂质半导体的电阻率将随温度的上升而急剧下杂质半导体的电阻率将随温度的上升而急剧下 降，表现出同本征半导体相似的特性。降，表现出同本征半导体相似的特性。 l图45 硅电阻率与温度关系曲线 l图46硅中电子和空穴与杂质浓度及温度的关系 l 显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势 的温度也就越高；材料的禁带宽度越大，同一温 度下的本征载流子浓度就越低，进入本征导电的 温度就越高。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，这就是器件的最高工 作温度。锗器件的最高工作温度为100度，硅为 200度，砷化镓可达450度。 l 对于图46给出的载流子迁移

16、率与杂质浓度 的关系曲线，可以知道载流子浓度增加，迁移率 下降。而对照两张图表的迁移率可以看出，电子 的迁移率明显大于空穴的迁移率。这也是在许多 半导体器件的设计中，为什么要选用N型材料的 依据。 二、硅温度传感器的结构和制作工艺二、硅温度传感器的结构和制作工艺 （一）硅温度传感器的结构 用N型硅半导体材料，制作一个利用硅体电阻随 温度变化特性的硅温度传感器。具体结构是在N型半 导体上方特定区域进行N+扩散，引出欧姆接触电极， 在衬底用欧姆接触引出另一个电极（图47）。 硅温度传感器的制作工艺流程：对N型硅抛光片 进行热氧化，然后光刻氧化膜形成直径约40微米的 N+扩散区，通过磷扩形成N+区，

17、经蒸铝或银形成上 下电极，便制成硅温度传感器。 传感器体电阻的大小与硅衬底材料的电阻率有 关，与N+区扩散深度有关。一般控制传感器电阻值 在1K左右。 图47 硅温度传感器结构 l 第四节第四节 PN结温度传感器结温度传感器 l 利用PN结与温度的关系实现对温度的传感。有 温敏二极管和温敏晶体管等温度传感器。 l一、一、PN结正向电压与温度的关系结正向电压与温度的关系 l PN结的IV关系如下: l l (48) l正偏时 远大于1，上式简化为： l l （49） (410) l上式表明，当电流密度J保持不变时，pn结的正向压 降VF与温度T成正比。 0 0 ()(1)(1) qVqV np

18、Pn KTKT S nP qD n qD p JeJe LL q V K T e q V K T S JJe ln() F S KTJ V qJ l对于PN+结，反向饱和电流Js可以表示成： l (411) l将（410）式对温度进行求导，可得到： l (412) 而 (4-13) l (4-14) 2 30/ 30/ 0 ()() npoEgkT nin S nnAnA EgkT S qD n DnqD JqC T e LLNL N JT e 1 ()ln SFF F SS dJVJkkT JC TqJq JdT 020/30/ 00 2 1 3()() gEg kTEg kT S SS E

19、 dJ J T eJ T e dTkT 0/ 20/ 000 0 30/30/2 00 313 EgkT EgkT gSg SS EgkTEgkT SSS E J TeE dJJ T e J dTJ T ekJ T eT T k l将上两式代入（412），得到： l l (4-15) l由此可见，VF随温度的变化率与PN结上的电压成正比，与 绝对温度成反比。温度上升，VF下降，VFT呈线性关系。 l 在室温附近，硅的PN结正向电压随温度变化率约为 2mV/k，锗的正向电压变化率为1mV。 二、晶体管的温度特性二、晶体管的温度特性 l 对于NPN晶体管，通过集电极电流为 l （416） l式中

20、第一项是集电结的扩散电流，第二项是发射结的扩散电 流。 l 是基区电子电流。 0 0 3 () F g FF F Eg V E VVkq JC TTqqTT / () qVbc kTqVbe kT CS IIee 2 0 in Sw b A q A nD I Nd x l讨论：（1）当发射结正偏，集电结反偏时，集电极电 流可近似表示为： l （417） l两边区对数，得到： l (418) l由上式可知，当Ic恒定时，Vbe与T呈线性关系。其温度 变化率为： l （419） l（2）当集电结零偏（Vbc0或bc短接）时， l （420） lVbe与温度的关系同二极管相仿，硅器件的Vbe随温度

21、的变化也为2mV/。 /qV bekT CS II e ln() C be S KTI V qI 0 / 1 ln gbe beCS SS EqV VIdIkkT TqIq IdTT / (1) qVbe kT CS IIe l三、三、PN结温度传感器的结构、工艺结温度传感器的结构、工艺 l 用于制作温敏二极管的半导体材料主要有锗、 硅、砷化镓、碳化硅等。 l 国产2DWM型温敏二极管采用掺硼P型电阻 率约1欧姆的硅单晶，经氧化、光刻、在1150度 高温扩磷2小时，形成PN结；再 经 减 薄 至 02mm，经轻微腐蚀后，进行化学镀镍，并在 650度下真空烧结5分钟，划片、用杜美丝或镍丝 作引线

22、，用铅锡软焊料在450500度下烧结形成 可靠的焊接，对管芯涂上保护材料经封装而成。 l l温敏二极管的VFT的温度特性在50150度 范围内，具有良好的线性关系。 l 对于实际的温敏二极管，其正向电流除了 扩散电流外还有空间电荷区的复合电流和表面 复合电流成分，后两种电流的存在使温敏二极 管偏离理想情况。而温敏晶体管虽然也存在上 述三种电流，但只有扩散电流到达集电极形成 集电极电流，其它两种电流作为基极电流漏掉。 因此，温敏晶体管的IeVbe关系曲线比温敏二 极管的特性更符合理想情况，电压温度特性 曲线的线性更好。 l第五节第五节 电势式温度传感器电势式温度传感器 l热电偶的测温原理热电偶的

23、测温原理 l 将两种导体或半导体的将两种导体或半导体的a和和b的热端连接在一起，当热端与的热端连接在一起，当热端与 l冷端之间存在温度差冷端之间存在温度差T时，在两个冷端之间就会产生开路电时，在两个冷端之间就会产生开路电 l压压V。该效应称为塞贝克效应。该效应称为塞贝克效应。 l 由塞贝克效应可知，当热电极材料一定时，热电势就仅与由塞贝克效应可知，当热电极材料一定时，热电势就仅与 l两接点的温度有关：两接点的温度有关： l式中式中AB 称塞贝克系数或热电势率，其值随热电极材料和两接称塞贝克系数或热电势率，其值随热电极材料和两接 l点温度而定。热电偶就是利用热电势随两接点温度变化的特性点温度而定

24、。热电偶就是利用热电势随两接点温度变化的特性 l来测量温度。当两点温度分别为来测量温度。当两点温度分别为T和和T0时，回路热电势为：时，回路热电势为： l式中式中eab(T)、eab(T0)分别为接点的分塞贝克电势，分别为接点的分塞贝克电势， lA、B为两种电势电极材料。为两种电势电极材料。 0 (,) A BA B d ETTd T 00 0 ( ,)( )() T ABABabab T ET TdTeTeT 帕尔贴效应：帕尔贴效应：1834年年J.A.C帕尔帖发现，两种不同帕尔帖发现，两种不同 导体导体A和和B组成电路且通有直流电时，接头处除焦组成电路且通有直流电时，接头处除焦 耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一