实验讲义-功能材料专业

1、功能材料专业实验大连民族大学物理与材料工程学院光电子实验中心目录第一章 导电类型鉴别仪实验一 材料导电类型鉴别实验第二章 温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪实验二 电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试第三章 半导体热电特性综合实验仪实验三 电阻温度计与非平衡直流电桥实验四 半导体热电特性的研究第四章 PN结正向特性综合实验仪实验五 PN结正向压降与温度关系第五章 传感器设计实验仪实验六 应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验应变直流全桥的应用电子秤实验 应变片交流全桥的应用(应变仪)振动测量实验实验七 压阻式压力传感器的压力测量实验 电容式传感器的位移实验实验八 差动变压器的性能实验

2、差动变压器零点残余电压补偿实验 差动变压器的应用振动测量实验实验九 压电式传感器测振动实验线性霍尔式传感器位移特性实验 磁电式传感器特性实验实验十 热电偶的原理及现象实验第六章 光电特性综合实验仪实验十一 LED伏安特性（V-I）测试 LED辐射强度空间分布及半值角的测量实验十二 激光二极管（LD）伏安特性（VI）的测量激光二极管光谱特性测量第一章 导电类型鉴别仪一、概述PN-12型导电型号鉴别仪采用整流法(也称三探针法)和温差法(也称冷热探笔法来判断单晶(或多晶)硅的导电类型(N型或P型)，用N型和P型显示屏直接显示单晶(或多晶)导电类型。二、技术性能1.可判断硅材料的电阻率范围： 整流法：

3、10-2·Cm104·Cm；温差法：10-4·Cm105·Cm；2.硅单晶直径及长度：不受限制；3.显示方式：用N型和P型显示屏直接显示；4.探头：整流法：采用三根探针，用高速钢针；温差法：采用冷热两根探笔，探笔材料为钨棒，热笔采用PTC发热体加热； (冷笔保持室温，热笔可被加热到60-150，温控仪设定)5.电源及功耗：AC 220V±10%，50Hz <20W6.外型尺寸：125mm(宽)×145mm(高) ×245mm(深)7.使用环境： 温度：室温；相对湿度：<80%；无强高频电磁场影响。图1-1 PN-

4、12型导电类型鉴别仪实验一 材料导电类型鉴别一、 实验目的：掌握判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。二、 实验原理半导体的导电过程存在电子和空穴两种载流子。多数载流子是电子的称n型半导体；多数载流子是空穴的称p型半导体。测量导电类型就是确定半导体材料中多数载流子的类别。半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。在半导体器件的生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。这里介绍两种常用的测定导电类型的方法：整流法（三探针法）和温差法（冷热探笔法）。1. 整流法（三探针法）P-N显示器电子开关放大器稳 压 电 源交流电源样 品132三探针与单晶材料形成整流接触，交流电压加

5、在探针1、2间(其中探针2接地)，在探针2、3间测量电势。对N型材料V32具有正的直流分量，对P型材料V32具有负的直流分量。2. 温差法(冷热探笔法)：P-N显示器电子开关放大器稳 压 电 源温控仪热笔冷笔热笔和冷笔同时紧压样品被测面，两笔间就有温差电势产生(微弱信号数毫伏左右)，经过高输入阻抗直流放大器(约1000倍)将此电势放大，推动P、N显示屏显示N或P，从而得知材料的导电类型。当材料为“N”型时，热笔相对于冷笔产生正电势，“P”型时则为负电势。三、 实验仪器及材料PN-12型导电类型鉴别仪，硅片四、 实验步骤1.参看图1-2，首先将整流法探笔和冷热笔分别通过四芯电缆插头和八芯电缆插头

6、与主机对应的插座连接。 图1-2面板说明：设定键；设定数字移动键；设定值减少键；设定值增加键; 设定值显示器；测量值显示器；控制输出指示灯；自整定指示灯；第一报警指示灯；第二报警指示灯2. 按下电源开关，预热15分钟，待仪器稳定后方可进行测量。一旦接通电源温控仪即开始工作，下面说明温控仪设定温度操作：综合样品的电阻率与热电势的关系，出厂时温控仪温度设定为100，可满足多数测量需要。3.被测样品的测量面须用金刚砂研磨或喷沙，并除去沾污。4.用整流法测量，按一下整流法按钮，此时按钮点亮(接通电源时，仪器自动选择为整流法)。此时将整流法探笔轻轻压在样品被测表面上，然后从PN显示屏观察即可知道导电类型

7、。测量过程中，应保证三根针都与被测面接触，否则可能产生误判断。最后将样品的测试结果记录在下表中：硅片样品1样品2样品3导电类型（P/N）5.采用温差法测量时，按一下温差法按钮，此时温差法按钮会点亮，此时将冷热笔紧紧压在被测面上。然后从PN显示屏观察即可知道导电类型。在测试高阻（>104·Cm；）样品时如果灵敏度不够，可将热笔温度稍为提高，但不可超高1506.测量过程中应注意零点的调整，否则会带来误判。最后将样品的测试结果记录在下表中：硅片样品1样品2样品3导电类型（P/N）第二章 温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪FB820型温度传感器温度特性实验仪包含五种不同的温度传感器，

8、可用于多种温度传感器以及温度特性研究性试验，该仪器面板布局及功能图如下所示：图中：（1）加热功能指示；（2）加热、致冷功能转换按钮，释放位置为加热，按下为致冷（3）致冷功能指示：（4）毫伏表作为电压表测量功能指示；（5）电压表、致冷电流表测量功能转换按钮，释放时为电压功能，按下时为致冷器工作电流测量功能；（6） 致冷电流测量功能指示；（7）四位半电压、电流数值显示；（8）电压表2V量程指示；（9）电压表量程转换，释放位置为20V量程，按下时为2V量程；（10）电压表20V量程指示；（11）控温设定值显示； （12）温度设置功能键；（13） 测量温度显示； （14）致冷井致冷工作指示； （15）

9、致冷井；（16）加热井加热工作指示； （17） 加热井；（18）加热器降温风扇开关；（19）加热器工作电压选择：电压分别为，可控制加热速度快慢；（20）PN结温度传感器专用测试单元；（21）电压型LM35温度传感器专用测试单元；（22）集成电流型AD590温度传感器专用测试单元；（23）恒流源法Pt100 MF53-1温度传感器测试单元；（24）直流电桥法温度传感器测试单元，（需用户自备五盘电阻箱）；（25）、（26）外接电阻箱接入端钮； （27）分别为三路电源负极；（28）直流电源正极；（29）直流电源正极；（30）恒流源正极； （31）致冷器工作电流调节（）。实验二 电压型集成温度传感器温

10、度特性的测试一、 实验目的测量电压型温度传感器的温度特性二、 实验原理1.“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果也是至关重要的，所以温度传感器的应用更是十分广泛的。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表1。表1常用的温度传感器的类型和特点类型传感器测温范围特 点热电阻铂电阻准确度高、测量范围大铜电阻镍电阻半导体热敏电阻(PTC NTC CTC)-50315电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差热电偶铂铑-铂 （）用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考

11、点（如冰点）铂铑-铂铑（）镍铬-镍硅（）镍铬-康铜（）铁-康铜 （）其它结温度传感器体积小、灵敏度高、线性好、一致性差温度传感器线性度好、一致性好2.电压型集成温度传感器（）温度传感器，标准T092工业封装，其准确度一般为。（有几种级别）由于其输出为电压，且线性极好，故只要配上电压源，数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。内部经激光校准保证了极高的准确度及一致性，无须再校准。输出电压的温度系数，利用下式可计算出被测温度:即： （1）温度传感器的电路符号见图4，为输出端。实验测量时只要直接测量其输出端电压，即可知待测量的温度。三、实验仪器型温度传感器温度特性实验仪 1台及五种不同的温度传感

12、器四、实验步骤按图14-3接线。控温传感器铂电阻(级)已经装在致冷井和加热干井炉中与其它井孔离中心相同半径的位置,保证其测量温度与待测元件实际温度相同。在环境温度高于摄氏零度时，先把温度传感器放入致冷井中（图中实线所示），利用半导体致冷把温度降到，并以此温度作为起点进行测量，每隔测量一次，直到需要待测温度高于环境温度时，就把温度传感器转移到加热干井中，然后开启加热器，控温系统每隔设置一次，待控温稳定后，测试传感器的输出电压，数据记入表3：表3 温度特性测试数据序号1234567891011 0102030405060708090100 得到数据用最小二乘法进行拟合得: ， 。(实验报告中具体给

13、出利用最小二乘法的数据处理过程)第三章 半导体热电特性综合实验仪实验三 电阻温度计与非平衡直流电桥直流电桥是一种精密的电阻测量仪器,具有重要的应用价值.按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥.平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂电桥（惠斯登电桥）、双臂直流电电桥（开尔文电桥）.它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程中和科学实验中，很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量.非平衡电桥的基本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其他物理量，如温度、压力、形变等.一、

14、目的要求学习与掌握用非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻在基本原理和操作方法.学习与初步掌握非平衡电桥的设计方法；学习与掌握根据不同待测电阻值选择桥式.二、实验仪器1. YJ-SB-1半导体热电特性综合实验仪、2. Pt100温度传感器、3.数字万用表（自备）、4.非平衡直流电桥及应用实验模板、5.热敏电阻温度传感器 .三、实验原理非平衡电桥原理如图3所示：B、D之间为一负载电阻Rg，只要测量电桥输出Ug、Ig即可得到Rx值.ABCDR3I3I2R2USR1I1R4=RxI4Ug电桥分类等臂电桥：R1=R2=R3=R4.输出对称电桥，也称卧式电桥：R1=R4=R，R2=R3=R,且RR.电源对称

15、电桥，也称立式电桥：R1=R2=R，R3=R4=R,且RR.输出电压图3当负载电阻Rg+，即电桥输出处于开路状态时，Ig=0，仅有电压输出，用U0表示，若后面接数字电压表或高阻抗放大器时属此种情况.根据分压原理，ABC半桥的电压降为US，通过R1、R4两臂电流为 （1） 则R4上的电压降为 （2） 同理R3上的电压降为（3） 输出电压U0为UBC与UDC之差 （4）满足条件 或者 （5） 时，则电桥输出U0=0，即电桥处于平衡状态，式（5）就称为电桥平衡条件.为了测量的准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡.这样可使输出只与某一臂的电阻变化有关.若R1、R2、R3固定，R4为温

16、度之函数Rt=R（t）=Rx，则当温度从tt+t时，R4R4+R，因电桥不平衡而产生的电压输出为 （6）若阻值变化很小，即R<<Ri（i=1、2、3、4），则（6）式公母中含有R之项可以略去，室温t0时预调平衡，则（6）式变为 （7）由此可得三种电桥的输出为等臂电桥 （8）卧式电桥 （9） 立式电桥（10）显然，当R<<Ri 时，三种电桥的输出均与成线性比例关系.特别要强调的一点是公式（7）-（10）中之R和R，均为预调不衡后的电阻值.测量到输出电压后，通过上述公式运算到R（x）/R或R（t），从而求得R（t）=R+R（t）.由（8）-（10）式可知，在R、R相同的情况

17、下，等臂电桥、卧式电桥输出电压比立式电桥的输出电压高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通选择R、R来扩大测量范围，R、R差距愈大，测量范围也愈大.3. 铂电阻导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.，能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：（1） 电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2） 电阻率高，热容量小，反映速度快；（3） 材料的复现性和工艺性好，价格低；（4） 在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业应用最广的材料是铂铜.铂电阻与温度之间的关系，在0-630.74

18、范围内用下式表示RT=R0（1+AT+BT2） （11）在-200-0的温度范围内为RT=R01+AT+BT2+C（T-100）T3 （12）式中，R0和RT分别为在0和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.90802×10-3-1，B=-5.80195×10-7-2，C=-4.27350×10-12-4.由式（11）和式（12）可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0 的数值，R0 值不同时，RT与T的关系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻 R0 值有100和500两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格

19、，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用Pt100和Pt500表示.图4铂电阻在常用的热电阻中准确度较高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033K-961.78标准温度计使用，铂电阻广泛用于-200-850范围内的温度测量，工业中通常在600以下.4.测温不平衡电桥如图4所示，电桥电路为输出对称电桥，（卧式电桥），VBD为电桥的输出端，用数字表可直接测量电桥的输出电压.四、实验内容1、 安装好实验仪器，将装有金属电阻Pt100插入恒温腔中. 将Pt100温度传感器引线接入实验模板Rt之间，调节R11使之为100.0,然后用导线连接Rt 与R11,接入5V的工作电压，

20、用数字万用表测量VBD输出端电压,调节Rw使电桥平衡(VBD=0).2、用导线和专用电缆将实验装置与主机相连，打开主机电源开关，选择适当的功能（制冷或加热）.2、 3、打开制冷加热开关，若选择的是制冷功能就逆时针调节“制冷温度粗选” 和“制冷温度细选”旋钮到底，“加热 制冷”功能选择开关上的指示灯发亮（制冷状态），同时观察紫铜恒温体的温度（数字温度表）的变化，当数字温度表上的温度即将达到所需温度（如0.0）时顺时针调节“制冷温度粗选” 和“制冷温度细选”旋钮使指示灯闪烁（恒温状态），仔细调节“制冷温度细选”使温度恒定在所需温度（如0.0）.3、 待恒温腔内的温度稳定在所需温度（0.0）后，调节

21、实验模板的Rw使电桥平衡(VBD=0). 4重新选择所需温度T2（10.0）、T3（20.0）、T4（30.0）、T5（40.0）、T6（50.0）、T7（60.0）、T8（70.0）、T9（80.0）、T10（90.0）、T11（100.0）、T12（110.0），测出各温度时，电桥的输出电压.测量出其对应的阻值U10、U20、U30、U 40、U 50、U 60、U 70、U 80、U 90、U 100、U 110.5、改变工作电压，复以上步骤，比较电桥输出电压有何不同.6、根据上述实验数据，绘出V-t曲线.7、根据V-t曲线，用该电桥测量温度.8、将Pt100温度传感器换成NTC温度传感

22、器，重新组成电桥并测量.实验四 半导体热电特性的研究半导体热电特性的研究一实验目的1、 了解半导体制冷电堆的工作原理;2、 了解半导体材料的帕尔贴效应；3、 了解半导体材料的塞贝克效应.二实验仪器YJ-SB-1半导体热电特性综合实验仪.图5PN金属片A吸热散热散热12金属片B143金属片B1三实验原理半导体制冷与传统的压缩气体制冷方法不同的是它没有制冷剂，无复杂的运动机械部件和管路.其优点为外型尺寸小、重量轻、无机械运动摩擦、无噪声、可精确控制、可平移调节温度工况与制冷量.不存在由于制冷剂泄露而引起的气污染，其维护简单，使用管理方便，在许多领域尤其是在医疗领域中有厂泛的应用.1.半导体热电材料

23、的制冷原理半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，主要是利用热电效应中的帕耳帖效应达到制冷目的.1834年法国人珀尔帖发现了珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）,帕耳帖效应是指在两种不同材料构成的回路上加上直流电压，相交的结点上会出现吸热或放热的现象.因此，在由A有最佳热电转换特性的半导体热电材料组成的P一N结两端，加上一定的直流电压，利用半导体热电材料的特性就可以实现制冷或制热功能.如图5 为半导体热电单元制冷原理图.当电流的极性如图3所示时，电子从电源负极出发，经金属片B,、结点4,P型半导体、结点3、金属片A、结点2,N型半导体、结点1、金属片Bz，再回到电源的正极.但是P型半导体的多

24、数载流子为空穴，其空穴电流方向与电子相反.而空穴在金属中所具有能量低于在P型半导体中所具有的能量.因此空穴在电场的作用下由金属片A通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量.但是空穴白身无法增加能量，只有从金属片A处吸收能量，并且把这部分热能转变成空穴的势能，因而使金属片A处的温度降低.而当空穴沿P型半导体经结点4流向金属片B，时，由于P型半导体中空穴能量大于金属B,中空穴的能量，因而空穴要释放出多余的势能，并巨将其转变为热能释放出来，则使金属片B,处温度升高.而图 中 右 半部分是由N型半导体与金属片A和金属片B:相连.N型半导体的多数载流子为电子，而电子在金属中的势能低于在N型半导体中

25、所具有的势能.在电场的作用下，电子从金属片A通过结点2到达N型半导体时必然要增加势能，而这部分势能只能从金属片A处取得，结果金属片A处的温度必然会降低.而当电子从N型半导体经结点1流向金属片B:时，因电子由势能高处流向势能低处，因此在金属B:处释放能量，使之转变为热能释放出来，则使金属片B，处温度升高.综上分析 ，金属片A处的温度在此电流状态下温度会降低而成为冷端，因而低温的金属片A便从周围介质吸收热量而使周围介质得到冷却;金属片B1和B2处由于载流子的释放能量而使之的温度升高，成为热端，在制冷过程中热端所产生的热量必须排走.吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定

26、.一般制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷（制热）的效果，本实验所使用的半导体制冷片每片上集成了126对电偶串联成的热电堆.把直流电流反向，半导体致冷堆的冷端、热端就会互换.2.半导体热电材料的温差电效应PNLOADRLTHTC图6早在1823年德国的物理学家Thomas Seebeck就在实验中上发现, 在具有温度梯度的样品两端会出现电压降, 这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础, 称为Seebeck（塞贝克）效应. 这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础. 图6为实现热电转化模式的简单示意图. 随着半导体材料的深入研究和广泛应用，热电性能良

27、好的半导体材料和半金属材料使热电效应的效率大大提高，从而使热电效应发电渐步入实用阶段，目前在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域热电效应均有一定应用.四实验内容1、安装好实验仪器，用导线将直流稳压电源输出与实验装置的两接线柱相连，用专用电缆将主机测温电缆与实验装置相应的电缆座相连，数字多功能表输入端与实验装置的两接线柱相连.2、打开主机电源开关，记下室温T0. 3、调节直流稳压电源，使直流电压输出最小，用连接线将直流电压输出与实验装置的两接线柱相连. 缓慢调节直流稳压电源，使直流电压输出为5V左右，若紫铜恒温体的温度逐步升高（半导体制冷片处于制热状态）.4、关闭直流稳压电源，将输出的两根导线

28、互换位置使半导体制冷片处于制冷状态.5、关闭直流稳压电源，将输出的两根导线互换位置使半导体制冷片处于制热状态，打开电源，待紫铜恒温体的温度升高到100时，关闭电源停止加热；拔掉直流稳压电源上的两根电源线，观察半导体制冷片的热电势与温差的关系.第四章 PN结正向特性综合实验仪一概述 结温度传感器相对于其它温度传感器来说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。根据半导体理论可知，结的正向压降与其正向电流和温度有关，当正向电流保持不变时，正向压降只随温度的变化而变化。 本实验仪是在恒定的正向电流条件下，测试结正向压降与温度的关系，从而验证这一原理。本实验也是集电学、热学为一体的综合性

29、实验，适用于大专院校的普通物理实验和有关专业的基础实验。二主要技术指标1测试恒流源 ：输出电流 ，连续可调，细度电流稳定度： ，负载稳定度： ；2加热电流：，步进值 ，最大负载电压；3温度传感器 : 测量范围：，测温精度： 输出电流：； 4正向电流、正向压降和温度的值分别用两组 位显示，精度：。三仪器结构及说明 1测试仪:测试仪中的“”输出端可供外部测量时用。测试仪由恒流源基准电压显示等部分组成，原理框图见图4： 在图4中，为被测结，为的取样电阻，开关用于选择测量对象和极性变换的作用，其中测量测量测量电压。 恒流源有两组，其中一组提供正向电流，电流输出范围为，可连续调节；另一组用于加热，其控温

30、电流为，步进值，可用于选择不同的加热测试温度。 基准电压源也有两组，一组用于补偿被测结在或室温时的正向压降或，可通过面板上的“调零”电位器实现。此时若升温；若降温，则表明正向压降随温度升高而下降。另一组基准电压源用于温度转换和校准，因为本实验采用测温，它的输出电流按变化，它与热力学温度成正比，根据欧姆定律，在串联电路中，的取样电阻上将产生的输出电压，若输出电压为 ，那么相应的温度范围就是：。为了方便地显示摄氏温度值，本仪器设置了一组的基准电压，经转换后输出电压变为，对应于摄氏温度，这样不仅可以用三位半数字电压表显示，而且直接用摄氏温标（为单位）显示温度，更符合实验者的使用习惯。 上述的，可通过

31、“测量选择”开关来选择测量，由另一量程为的三位半数字电压表显示。另外，表示补偿结正向压降的电压和表示温度的电压均有输出接口，可供外部测量或记录仪记录使用。四使用步骤：1组装好加热测试装置，注意安装牢靠，螺丝要拧紧。2连接相应的导线。3打开机箱背后的电源开关，两组数字表即有指示，若发现数字乱跳或溢出，则应检查信号电缆插头是否插好或芯线有无折断、脱焊或检查待测结、测温元件连线是否正常。4将“测量选择”开关拨到 ，转动“调节”旋钮，把调节到需要数值，再将拨到，也可改变，最后将拨到，转动“调节”旋钮，使。5将“加热电源”用二芯专用线连至加测试装置上的二芯插座，并开启控温电流至档，加热指示灯即亮，1分钟

32、后，可见温度显示逐渐上升。至此，仪器进入正常运行。可选择不同大小的加热电流来改变温升速率。6仪器的温度测量值，出厂时已在（冰水混合物）条件下进行了校准，仪器的“温度校准”请不要随意调节，以免温度测量失准。如发现仪器温度显示存在偏差，可在室温下用分辨率为的标准温度表作标准，调节“温度校准”使数字温度表显示读数与标准温度表相同。7用户如需做实验时，需自备有冰水混合物的容器。将加热装置置入容器中，等仪器显示温度为时即可进行实验。五注意事项：1加热装置加热较长时间后，隔离圆筒外壳会有一定温升，注意安全使用。2仪器应存放于温度为，相对湿度的环境中，避免与腐蚀性的有害物质接触，并防止剧烈碰撞。实验五 PN

33、结正向压降与温度关系 常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是温度特性呈非线性，且一致性较差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻如铂电阻有精度高、线性好的优点，但灵敏度低且价格较贵；而结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体小轻巧易集成化等优点，所以其应用势必日益广泛。但是这类温度传感器的工作温度一般为，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，有待于进一步改进和开发。一、实验目的1了解结正向压降随温度变化的基本关系式。2在恒

34、定正向电流条件下，测绘结正向压降随温度变化的曲线，并由此确定其灵敏度及被测结材料的禁带宽度。3学习用结测量温度的方法。二、实验原理 理想的结的正向电流和正向压降存在如下近关系式： （1） 其中为电子电量； 为玻尔兹曼常数；为绝对温度；为反向饱和电流，它是一个和结材料的禁带宽度以及温度有关的系数，可以证明： （2） 其中是与结面积、掺杂质浓度等有关的常数，也是常数（见附录）；为绝对零度时结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得： （3） 其中 ， 方程（3）就是结正向压降对于电流和温度的函数表达式，它是结温度传感器的基本方程。令，则正向压降只随温度而变化，但是在方

35、程（3）中还包含非线性项 。下面来分析一下项所引起的线性误差。 设温度由变为时，正向电压由变为，由（3）式可得 （4） 按理想的线性温度响应，应取如下形式 （5） 为曲线的斜率，且温度时的等于温度时的值。由（3）式可得 （6） 所以 （7） 由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为 （8） 设，取 , 由（8）式可得，而相应的的改变量约，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时，温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于因子所致。综上所述，在恒流供电条件下，结的对的依赖关系取决于线性项，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是结测量温度的理论依据。

36、必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约）。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本征载流子迅速增加，关系将产生新的非线性，这一现象说明的特性还随结的材料而异，对于宽带材料（如）的结，其高温端的线性区域宽；而材料杂质电离能小（如）的结，则低温端的线性范围宽。对于给定的结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高低而有所不同，这是非线性项引起的，由对的二阶导数可知， 的变化与成反比，所以的线性度在高温端优于低温端，这是结温度传感器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小 ，可以改善线性度，但并不能从根本上

37、解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：1. 利用对管的两个结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个结），分别在不同电流下工作，由此获得两者之差与温度成线性函数关系，即： 由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍然存在差距，但对于单个 结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成电路温度传感器。2采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自项，利用函数发生器，比例于绝对温度的次方，则的线性理论误差为。实验结果与理论值比较一致，其精度可达。三、实验内容和方法1实验系统检查与连接:（1）根据图1了解待测结管和测温传感器及加热部件

38、的结构，可取下隔离圆筒的筒套（左手扶筒盖，右手扶筒套逆时针旋转）。图1中：加热电源插口， 接线盒， 加热管（铜管内部）， 温度传感器（AD590）， 加热铜块， PN结管（1815三极管） 信号输入接口。（2）用七芯插头导线、二芯插头导线各1根分别连接测试仪器的“加热电源”、“信号输入”与测试架接线盒上的两插座。 “加热电流”开关置“0”位置，在连接导线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插头待插入后与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。 2转动“加热电流”开关，从“0”至“0.1”A

39、，预热几分钟后，此时测试仪上将显示出室温为， :再与标准温度计上的指示值相比 图1较，若不准确，用小一字螺丝刀调节“温度校准”电位器，使测试仪上显示的温度与标准温度计相同。记录下起始温度 ，然后切断加热电流。 3 或的测量和调零:将“测量选择”开关拨到，由“调节”使 ，将“测量选择”开关拨到，记下值，再将“测量选择”开关置于，由“调节”使。本实验的起始温度如需从开始，则需将隔离圆筒置于冰水混合物中，待显示温度至 时，再开始进行测量。4测定曲线:开启加热电流（指示灯亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的和，至于、的数据测量，采用每改变立即读取一组、值，这样可以减小测量误差。应该注意：在

40、整个实验过程中要注意升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在以内。 5求被测结正向压降随温度变化的灵敏度 以为横坐标，为纵坐标，作曲线，其斜率就是。 6估算被测结材料的禁带宽度。根据（6）式，略去非线性项，可得: 实际计算时将斜率、温度 （注意单位为）及此时的值代入上式即可求得，禁带宽度。将实验所得的与公认值比较，求其误差。 7数据记录: 实验起始温度： ；工作电流： ；起始温度为时压降： ； 控温电流： ； 8改变加热电流重复上述步骤进行测量，并比较两组测量结果。9改变工作电流重复上述（17）步骤进行测量，并比较两组测量结果。四、选做内容 根据实验原理及结论将该结制成温度传感器，使其灵敏度最

41、大，试确定其工作电流及其测量范围，并标定其刻度。五、预习思考题 1测或的目的何在？为什么实验要求测曲线而不是曲线。 2测为何按的变化读取，而不是按自变量读取。 3在测量结正向压降和温度的变化关系时，温度高时线性好，还是温度低好？ 4测量时，为什么温度必须控制在范围内？【附录一】实验数据及处理（供参考） 1（2）式的证明参阅黄昆，谢德著的半导体物理。2的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取 。PN结温度特性测试实验数据示范参考表测试条件测试条件32.00305.240.70313.935.410308.645.81031940.420313.649.320322.545.030318.

42、253.730326.949.640322.858.240331.454.250327.462.750335.958.960332.167.360340.563.470336.671.970345.168.080341.276.680349.872.590345.781.290354.477.2100350.485.9100359.181.7110354.990.6110363.886.2120359.495.3120368.590.7130363.9100.1130373.395.2140368.4104.9140378.199.7150372.9109.6150382.8104.21603

43、77.4114.5160387.7108.9170382.1119.3170392.5113.3180386.5117.7190390.9根据表格中的数据,用作图,并写出线性方程和相关系数。请参看下图。说明：以下图形是用作图后，再用图板修改的。第五章 传感器设计实验仪一、实验仪组成传感器实验仪：主要由机壳、机头（传感器安装台）、显示面板、调理电路面板（传感器输出单元、传感器转换放大处理电路单元）等组成。1、 机壳：机壳内部装有直流稳压电源、振荡信号板等。2、机头（传感器安装平台）：机头图 由悬臂双平行梁和振动台组成。、双平行梁（应变梁）：在双平行梁的上、下梁片表面粘贴了应变片；封装了PN结、N

44、TC RT热敏电阻、热电偶、加热器；在梁的自由端安装了压电传感器、激振器（磁钢、激振线圈）和测微头。测微头：调节测微头产生力或位移，做静态实验。激振器：激励双平行梁振动，做动态实验。、振动台：在振动台周围安装了光电转速传感器、电涡流传感器、光纤传感器、差动变压器、压阻式压力传感器、电容式传感器、磁电式传感器、霍尔式传感器；在振动台的下方安装了激振器（磁钢、激振线圈）；在振动台的上方安装了测微头。测微头：调节测微头产生力或位移，做静态实验。激振器：激励振动台梁振动，做动态实验。3、显示面板：由主电源单元、电机控制单元、直流稳压电源单元、FV表（电压表）单元、PC口单元、电流表（频率转速表）单元、

45、音频振荡器单元、低频振荡器单元、±15V电源单元等组成。4、调理电路面板：由传感器输出单元、副电源、电桥、差动放大器、电容变换器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等组成。5、数据采集卡及处理软件：详见三、V9.0数据采集卡及处理软件。备注：实验仪的具体配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。二、主要技术参数、性能及说明（一）、传感器（机头）部分：1、电阻应变片：电阻值350左右；应变系数为2。2、热电偶：直流电阻10左右（由两个串接而成）；分度号为T；冷端为环境温度。3、热敏电阻：NTC半导体热敏电阻；25时为10K左右。4、PN结温度传感器：

46、利用1N4148良好的温度线性电压特性；灵敏度为-2.1mV/。5、压电加速度传感器：由压电陶瓷片和铜质量块构成；电荷灵敏度为20pc/g。6、光电转速传感器：透射式光电耦合器（光电断续器）；TTL电平输出。8、电涡流传感器：直流电阻12；位移量程1mm。9、光纤传感器：由半圆双D分布的多模光纤和光电变换座构成；位移量程1mm。10、差动变压器：一个初级线圈、二个次级线圈（自感式）和铁芯构成；三个线圈直流电阻分别为510；音频3KHz5KHz、电压峰峰值为Vp-p2V激励；位移量程±4mm。11、压阻式压力传感器： Vs+Vs- 端直流电阻为4.7K左右、 Vo+Vo-端直流电阻为7

47、K左右；4V直流电源供电；量程为20kPa 。 12、电容式传感器：由两组定片和一组动片构成差动变面积电容；量程±2mm 。13、磁电式传感器：由线圈和动铁构成；直流电阻3040；灵敏度为500mV/（m/s）。14、霍尔式传感器：霍尔片置于环形磁钢产生的梯度磁场中构成位移传感器；传感器激励端口直流电阻8001.5K，输出端口直流电阻400600；位移量程1mm。15、气敏传感器：酒精敏感型，TP-3集体半导体气敏传感器；测量范围50500ppm。16、湿敏传感器：电阻型，阻值变化几M几K；测量范围30RH90RH。17、激振线圈：振动激振器，直流电阻3040。18、光电变换座：由红

48、外发射、接收管构成，是光纤传感器的组件之一。19、其它：25mm测微头、加热器；光源、光敏电阻、光敏二、三极管；硅光电池、光电开关。备注：传感器配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。（二）、显示面板部分：显示面板图 1、线性直流稳压电源：、±2V±10V分五档步进调节输出，最大输出电流1A，纹波5mV。、±15V定电压输出，最大输出电流1A，纹波10mV。 2、显示表：、三位半数字直流电压表：三档量程（200mV、2V、20V）切换，精度±（0.2）2个字。、三位半数字直流F/V(频率/电压)表：五档（200mV、2V、20V、2KHz、20KH

49、z）切换，精度±（0.2）2个字。 、四位频率转速数字表：频率转速切换，频率量程9999Hz，转速量程5000nmin。、三位半数字直流电流表：四档量程（200mA、20mA、200A、20A）切换，精度±（0.2）2个字。3、振荡信号：、音频振荡器：频率0.4KHz10KHz连续可调输出，幅度20Vp-p 连续可调输出，二个输出相位0°（Lv）、180°，Lv端最大输出电流0.5A。、低频振荡器：频率3Hz30Hz连续可调输出，幅度20Vp-p 连续可调输出，最大输出电流0.5A。 4、PC接口：最大允许输入电压DC ±10V。备注：显示面板

50、功能、配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。（三）、调理电路面板：调理电路面板图 1、传感器输出单元： 备注：根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。2、调理电路单元： 、电桥：由电桥模型、电桥调平衡网络组成。组成直流电桥时作为应变片、热电阻的变换电路；组成交流电桥时作为调制器。 、差动放大器：可接成同相、反相、差分放大器。通频带0-10KHz，增益1-101倍可调。 、电容变换器：差动式电容传感器的调理电路。由高频振振荡器、放大器、二极管环形充放电电路组成。 、电压放大器：同相输入放大器。通频带010KHz，幅度最大时增益约为6倍。 、移相器：移相范围20°，允许最大输入

51、电压峰峰值为Vp-p10V。在解调电路中用于补偿信号的相位。 、相敏检波器：由整形电路与电子开关电路构成的检波电路。允许最大输入检波信号峰峰值为Vp-p10V，通频带010KHz。 、电荷放大器：电容反馈型放大器。用于放大压电传感器的输出信号。 、低通滤波器：由50Hz的陷波器与低通RC滤波器构成。转折频传35Hz左右。 、涡流变换器：涡流传感器的调理电路，涡流线圈是振荡电路中的电感元件之一为变频调幅式电路。（四）、实验仪供电与尺寸： 供电：AC 220V 50Hz 功率0.2kW； 实验仪尺寸为520×400×400(mm)。三、 9.0数据采集卡及处理软件简介(一)、数据采集卡及处理软件： V9.0版V9.0版数据采集卡是在原V8.0版基础上的一个升级版本，针对目前市售的传感器实验系统所配的采集卡动态范围太小，分辨率和精度过低的缺点，V9.0版采用了工业级的解决方案，达到了很高的测量精度和动态范围，接口部分采用RS-232/USB接口，方便用户的实际使