温度传感器教材

1、1目 录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一节 半导瓷热敏电阻温度传感器1-1 半导瓷热敏电阻的基本特性1-2 PTC热敏电阻1-3 NTC热敏电阻1-4 负温临界（CTR）热敏电阻器第三节 PN结型半导体温度传感器一、二极管温度传感器二、晶体管温度传感器三、集成电路（IC）温度传感器第二节 半导体热电阻温度传感器2第 六 章3热量及与之相关的温度是人类生活关系最为密切的物理量，也是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。自古以来，许多测量方法已为人们所熟知。随着社会的发展与进步，温度检测的重要性日益提高，温度传感器的应用范围也日益扩大。在工业、农业、交通运输、防灾、医疗、空间及海洋开发、

2、家用电器等各个领域中都离不开温度传感器。近年来，随着电子计算机技术的显著进步，对温度传感器的要求越来越高。高精度、高稳定性的产品需求量不断扩大，因此，高性能的温度传感器的开发及应用，更加引起人们的重视。温度传感器按使用的方式可分为两大类：测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触型温度传感器；传感器与被测物体不接触，而是利用被测物体发出的热辐射来测量的称为非接触型温度传感器。温度是一个状态量，从超低温到超高温，范围极宽。同时，由于测量对象繁杂多样，因而没有任何一种温度传感器能够覆盖整个温度范围而又能满足一定的测量精度，而只能根据不同4温度范围和不同检测对象，恰当地选择不同的传感器。温度传感器分

3、类热电偶、热敏电阻、石英晶体振动器、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器分 类特 征传 感 器 名 称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻见表下内容 测 温 范 围5第一节半导陶瓷热敏电阻温度传感器半导陶瓷热敏电阻一般是用金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制备的具有半导体特性的陶瓷电阻器。这些热敏电阻的共同特点是灵敏度高、重复性好、工艺性强，而且便于工业

4、化生产，因而成本较低。目前已广泛用于工业、农业、科研、国防等各个领域。半导瓷热敏电阻主要有三种类型，即PTC热敏电阻、NTC热敏电阻和CTR热敏电阻。PTC热敏电阻是指具有正温度系数的热敏电阻，即其电阻值随温度的升高而增加。NTC热敏电阻的阻值则随温度的上升而减小。CTR（临界温度系数）热敏电阻的特点是当温度变化到某一数值6（临界温度）时，其电阻值会在几度的温度范围内下降34个数量级，常用于自动控制及温度报警电路中。热敏电阻的特点： 1、灵敏度高 热敏电阻与铂、铜等金属热敏电阻比，其灵敏度要高数十甚至几百倍。 2材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最

5、小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。 3稳定性好 在0.01的小温度范围内，其稳定性可0.0002的精度。4. 可制成110M欧标称阻值的热敏电阻，以供应用电路选择。5原料资源丰富，价格低廉73-1-1 半导瓷热敏电阻的基本特性半导瓷热敏电阻的基本特性一、零功率电阻值（RT）零功率电阻值是指在规定的温度下，测量热敏电阻的电阻值时，加在热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的电阻值的变化可以忽略不计。环境温度25下的零功率电阻值称为额定零功率电阻值。二、电阻-温度特性电阻-温度特性是指在静止的各种热敏电阻的电阻-温度特性8空气中测得的热敏电阻的零功率电阻值与其温度之间的依赖关系。PTC、NT

6、C、及CTR热敏电阻的典型电阻-温度特性如上图所示。三、电阻-温度系数（）T电阻-温度系数是指电阻值随温度的变化率，其决定了热敏电阻在全部工作范围内对温度的灵敏度，表达式为：C%1001单位为dTdRRTTT四、类别温度范围类别温度范围是指在零功率的条件下，热敏电阻可连续工作的环境温度范围，不同类型或不同型号的热敏电阻，具有不同的类别温度范围。通常在相应的产品详细规范中给出。五、热敏电阻的最大功率（Pmax）热敏电阻的最大功率是指在25 静止空气中，能长期施加在元件上的最大功耗。9KWTP七、热容量（C）热容量是指热敏电阻本体温度每变化度所放出或吸收的热量，单位 。 六、热敏电阻的耗散系数热敏

7、电阻的耗散系数定义为热敏电阻功率耗散的变化量 与该元件的温度变化量 之比，即热敏电阻的体温每升高度所消耗的功率。PT 八、热敏电阻的热时间常数在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始末两个温度差的 63.2% 时所需的时间，热时间常数与热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。 CJC10九、静态伏安特性是指在室温下，静止空气中热敏电阻在建立了热平衡以后，加在其两端的电压与阻体稳定电流之间的关系。不同类型的热敏电阻具有不同的静态伏安特性。以上几种特性参数是各类热敏电阻所共有的。除此以外，各类热敏电阻尚有各自特殊的特征参数。半导瓷热敏电阻的制备工艺流程如下图所示。配料球磨预烧球磨成

8、型烧成引电极测试11热敏电阻图示：3-1-2 PTC热敏电阻PTC热敏电阻通常是用 掺入微量稀土元素使之半导化而制成的。3BaTiO3SrTiO12 一、工作原理 PTC热敏电阻半导体具有多晶结构（晶粒尺寸约为3100um),各晶粒内部为半导电性区，晶界为高阻层区。当样品外加电压时，电压大部分落在高阻的晶界层上，因而电子通过晶界时将对材料的导电性能起作用。因此，可以利用晶界势垒来解释PTC效应： 由于在晶界面上存在一个势垒，当温度在居里点 以下时，高阻的晶界具有铁电性，介电常数极大。势垒高度与介电常数成反比，所以此时势垒高度很小，电子很容易越过势垒如图(a)所示，相应材料的电阻率小。在温度高于

9、居里点 时，由于高阻层晶格结构发生变化，同时铁电性消失，介电常数急剧减小，势垒随之急剧增高，因而电子难于越过势垒，如图(b)所示，相应材料的电阻率急剧上升。呈正温度系数。 TcTc 图 PTC效应的定性解释(a) 温度在居里点以下(b) 温度在居里点以上13二、性能参数.电阻-温度特性典型的电阻-温度特性如右图所示。图中，曲线为突变型（开关型），曲线 为 缓 变 型 （ 直 线 型 ） 。曲线上Tb为开关温度，对应的零功率电阻Rb为开关电阻值。开关温度是由材料的居里温度决定的。常用的PTC热敏电阻的开关温度，从到340 每隔10 一档系列化。居里温度的移动是通过改变材料的配方实现的。开关温度表

10、征开关型PTC热敏电阻器的电阻值产生阶跃增大时的温度，工程上一般规定阻值增大到最小电阻值Rmin的2倍时的温度。Rp为直热式PTC热敏电阻的平衡点电阻，指在25 静止空气中，对PTC元件施加最大工作电压Vmax（指热敏电阻能够长期稳定工作在开关状态下的最大电压），当电阻体的温度平 衡 时 所 具 有 的 电 阻 值 。 平 衡 点 电 阻 值 对 应 的 温 度PTC热敏电阻的电阻-温度特性曲线14为平衡点温度。 在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：0exp0TTBRRPTT式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的

11、材料常数。若对上式取对数，则得：0lnln0TPTRTTBR若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp15%100expexp10000PPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp ，正好等于它的材料常数BP的值。 而缓变型PTC热敏电阻器的电阻值与温度的依赖关系，在一定温度范围内近似为线性。为材料常数BABTART,%100BTABT缓变型PTC热敏电阻的电阻温度系数随温度而变化，适于温度补偿。16三、PTC热敏电阻的应用PTC热敏电阻器的应用十分广泛，如温度传感器、过热过电流保护、无触点开关、恒温恒热体等。目前已有数十种产品应用在

12、不同场合。 104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻静态伏安特性2.静态伏安特性PTC热敏电阻器的典型静态伏安特性曲线如右图所示。当所加电压不高时，PTC热敏电阻的温升不高，流过PTC热敏电阻的电流与电压成正比，服从欧姆定律；随着所加电压的增加，消耗功率增加，阻体温度超过环境温度，引起电阻增大，曲线开始弯曲。当电压增加到使电流达到 最大值时，如电压继续增加，由温升引起的电阻值的增加超过电压增加的速度，电流反而减小，期限斜率由正变负。mI171. 日光灯的予热启动 下图是一应用 PTC 热敏电阻器实现预热启动的日光灯电路图，刚接通开关时，Rt处于常温态

13、，其阻值远远低于C2阻值，电流通过 C1，Rt自热温度超过居里点温度Tc跃入高阻态，其阻值远远高于C2 阻值，电流通过C1、C2形成回路导致LC谐振，产生高压点亮灯管。2.过热保护PTC热敏电阻用作防灾及电器过热保护的领域很多，具有简单、可靠、低成本的优点。过热保护分直接保护和间接保护两种方式。直接保护法常用于电动机 、变压器过热保护等场合。间接保护法是指 PTC热敏电阻不直接接入被保护器件的回路中而是通过晶体管放大器或其它方式间接地对被保护器件实现保护作用。18 当被保护元件因过热而使热敏电阻发生阶跃变化时 ,热敏电阻的阻值将突变而超过负载电阻的阻值 ,此时电源电压几乎全部加在热敏电阻上 ,

14、保护了电动机或马达 。因此耐压是过保护元件的一项主要指标一般选取耐压大于 250伏。 上左图 为马达、变压器过热保护原理 当马达过热时，热敏电阻阻值增大 ,即可切断电源 ,达到保护的 目的。 一个简单的过热开关原理图。右上图中热敏电阻 要安装在紧贴负载电阻 ，使它们之间能充分地进行热交换。当 过热时，而 温度上升，电阻增大，使晶体管T导通，继电器J吸合，其常闭触头K断开，达到 保护的目的。RtLRLRRt19 3.彩电消磁电路 下图是一彩电的自动消磁电路， 它由消磁线圈和一个具有正温度系数（PTC）的热敏电阻串联而成。消磁线圈安置在彩电显像屏幕的框边上。 自 动 消 磁 电 路 并 接 在 彩

15、 色 电 视 机 的 电 源 两 引 入 线 上 ，当接通电网交流电， 起始时由于正向热敏电阻的阻值很小，通 过 消 磁 线 圈 的 交 变 电 流 幅 度 较 大 ， 使 热 敏 电 阻 的 阻值迅速上升，从而通过消磁线圈的电流迅速衰减，最后保持在一个较小的数值上，随之产生一个迅速衰减的交变磁场，使荫罩板沿着由大到小的磁滞回线反复磁化，经过几个周期后将使荫罩板的剩磁消除。20 4.马达启动 空调机、电冰箱等设备中的电机启动时，需要较大的启动功率，而当电机启动运转时，所需功率大幅度减小。为此这类单相电机常装有附加启动绕组。该绕组只在电机启动时工作，而当电机运转正常后自动断开。PTC热敏电阻器可

16、充当这种自动通断的无触点开关。其原理是把PTC元件串联在启动绕组中，由于热敏电阻的冷态电阻（20欧姆）远小于启动线圈阻抗，因此对启动电流几乎没有影响。压缩机启动瞬间，由于很大的启动电流流经PTC将产生很多热量，PTC电阻温度快速上升至100度后，其阻值猛增至很大（几千欧），启动绕组视同切断，完成启动任务。如下图所示。21 5.电器设备的恒温加热 下图是一应用PTC热敏电阻实现恒温加热的电饭锅电路。当锅内温度高于70时，热敏电阻PTC阻值增大晶体管T1基极电位升高，T1导通，T2也导通，晶闸管VS的触发极被T2短路，晶闸管VS阻断,保温加热器R7不工作。当锅温度低于 70，PTC阻值变小，T1、

17、T2 截止，晶闸管 VS 导通，保温加热器R7通电发热。这样，在热敏电阻控制下，锅内温度便维持在70左右。R5、D、WD及C1组成的电路具有降压、半波整流、稳压及滤波功能，可为T1、T2提供直流电压。R1、R2及PTC是T1的偏置电路。若调节R2，改变T1的基极电位，就可改变保温温度。223-1-3 NTC热敏电阻热敏电阻大都是用Mn、Co、Ni、 Fe、等过渡金属氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工艺制备而成。按使用温区大致分为低温（-60300 ）、中温（300600 ）及高温（600）三种类型。.静态伏-安特性曲线NTC热敏电阻静态伏-安特性曲线，如右图所示。当热敏电阻中有电流I流过时，电阻

18、两端的电压降UT为0000exp11expTTTBIRTTBIRIRUNNTT abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻静态伏安特性T0-环境温度；T-热敏电阻的温升； -热敏电阻的材料常数Bn显然，当I很小、可以忽略时，UT与I成线性关系对应曲线oa段（等阻段）。当I继续上升，而超过环境温度，则热敏电阻的阻值下降，耗散功率增TT23加，因此电压变化的较为缓慢，出现非线性正阻区ab段。当增大电流时，其电压值达到最大Um时，若电流继续增加，加热电阻自身加温剧烈，使电阻值减小的速度超过电流增加速度，因此热敏电阻的电压随电流的增加而降低，形成cd段的负阻区。当电流超过某一允许值时，热敏电

19、阻被烧坏。2 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：011exp0TTBRRNTTRT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值(K) ； BN NTC热敏电阻的材料常数（）。 为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：2429811exp25TBRRNT02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / R25-T特性曲线RT/R25TRT/R25BN关系如下表。热敏电阻特性的严重非线性25RTR25BN系数表系数表RTR25BNR50R2522002600280

20、030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.051

21、0.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R2526NTC热敏电阻温度系数：21TBdTdRR 热敏电阻的温度系数随温度减小而增大27.NTC热敏电阻的结构及特点NTC热敏电阻器的结构主要有珠状（a）、圆片形（b）、方片形（c）、棒状（d）、厚膜状形式（e），适用于不同的应用场合，如下图。（1）珠状 珠状热敏电阻制作方法是：在二根铂丝间点上热敏浆料， 烧成后封装在玻璃管中。这种结构的元件体积28小、响应快、精度高、高温稳定性好，适用于作200以上的温度测量。（）圆片型输出功率可根据尺寸大小调整，150 下稳定性好，适用

22、于作100 以下的温度补偿。采用不同阻值、不同B值的片子相互串联并联搭配共同封装在同一外壳里，可制成互换性好的高精度热敏电阻，可 用 于 对 响 应 时 间 要 求 不 高 的 测 量 场 合 。（）方片型250 下有良好的稳定性。适用于200 以下的测、控及温度补偿。可以直接贴在集成块或印刷板上，因而便于集成化。（）棒状特点是可制成高阻值、低B值的电阻器，通常用于高温热敏电阻，并具有良好的稳定性。29（）厚、薄膜型其特点是，调阻方便，一致性好，便于集成，同时可以用作辐射测温传感器。3-1-4 负温临界（CTR）热敏电阻器负温临界热敏电阻，是指在某一温度附近电阻发生突变，且于几度的狭小温区内随

23、温度的增加电阻值降低个数量级的一类热敏元件。这类热敏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。阻值突变点称为临界温度点。此类半导瓷材料在该温度点发生金属半导体相变，引起电导的极大变化。典型的CTR热敏电阻材料为V2O3,其相变点可通过添加Ge、Ni、W、Mn等元素来移动。右图为CTR热敏电阻 的 电 阻 温 度 特 性 曲 线 。30第二节 半导体热电阻温度传感器 利用半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成温度传感器。 一、工作原理pnpqnq1载流子：电子和空穴半导体材料的电阻率： 为材料的电子浓度 为电子迁移率 为材料的空穴浓度 为空穴迁移率 为电子电量nnppq 电阻

24、率主要决定于载流子(电子或空穴)的浓度和迁移率，二者都与温度密切相关。31nnq1ppq1N型半导体P型半导体1.迁移率与温度的关系 2/32/3TBNATmqiq 为电子电量 为载流子的有效质量A、B 为常数 为掺杂浓度10020010104N升高miN322.电阻率与温度的关系 本征半导体： 电阻率主要由本征载流子浓度决定，由于浓度随温度上升急剧增加，因而电阻率随温度增加下降。 pnpqnq1杂质半导体： 受杂质电离和本征激发影响，电阻率随温度的变化关系复杂。 33二、硅热电阻的结构和工艺wlRR方块 棒状 、扩散电阻型两种结构 34三、硅热电阻的特性1. 电阻一温度特性 -5005010

25、015020050010001500200025003000反向特性0电阻值（）温度（）正向偏置时:（保持偏置电流1mA) 55175，电阻值随温度的升高而增大，具有较好的线性度。 反向偏置时： 120以上时，开始本征激发，产生大量的电子空穴对，使电阻值突然下降 。352.2. 电阻温度系数电阻温度系数T T )%(%1002525TRRnTT随着温度升高，T 减小。363、硅电阻与电流的关系 v 不同的温度下，当电流超过1mA时，电阻就会增大。v 电流的自身热效应使电阻增大。v 工作电流应小于1mA。 37第三节 PN结型半导体温度传感器381温敏二极管工作原理 温敏二极管是以p-n结温度特

26、性作为理论基础。因为p-n结的许多参数都随着温度的变化而变化。如p-n结正向压降（反向）保持不变时，正向电流（反向）都随着温度发生变化。当正向电流保持不变时， p-n结的正向压降随温度近似线性变化。二极管的温度传感器是利用正向压降与温度的关系实现温-电转换。 由PN结理论可知，对于理想二极管，当正向电压UF大于几个k0T/q时，正向电流IF与正向电压UF和温度T之间的关系可表示为 3-3-1 PN结型半导体温度传感器利用半导体PN结的温度特性可制成PN结温度传感器。这类传感器 又 可 分 为 二 极 管 、 晶 体 管 和 集 成 电 路 三 种 型 式 。TkqUETBTkqUTkEABTT

27、kqUIIgrgr0F00F000FSFexpexpexpexp（ 1 ）一一 温 敏 二 极 管温 敏 二 极 管39F00SF0FlnlnITBqTkUIIqTkUrg式中： TkEABTIgr00Sexp饱和电流； BAB是与温度无关并包含结面积A的常数； B包括了所有与温度无关的因子的常数； r与迁移率有关的常数 TDrnn可通过而,23(求得，Dn是电子扩散系数，n是非平衡载流子寿命)T绝对温度，单位为K； Eg0半导体在0K温度时的禁带宽度，单位为eV； k0波尔兹曼常数； q电子电荷，q1.610-19C。 对式（1）两边取对数，可得到作为温度和电流函数的正向电压 （ 2 ）式中

28、：Ug0=Eg0/q。 上式给出了二极管的正向电压UF与温度T之间的关系。 在一定电流下，随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数。 40温度传感器总是从某一温度起，开始工作。如果在某已知的温度（如室温）T1下，工作电流为IF1，那么相应的正向电压UF1应满足式（2）： 1F11001FlnITBqTkUUrg（ 3 ）由式（2）减式（3）整理得 FFrggIITTqTkTTUUUU11011F00Fln)(（ 4 ）2基本特性1）UF-T关系对于不同的工作电流，温敏二极管的UF-T关系也将不同。 下图给出了某种硅温敏二极管恒流条件下的UF-T特性。 可以看出，在-50150范围内，

29、其UFT之间具有良好的线性关系。 4170060050040030020010050025 50100150IF100 AT / CUF /mV2DWM1硅温敏二极管UF-T特性 2） 灵敏度特性 温敏二极管灵敏度定义为正向电压对温度的变化率。将式（4)）对T求偏导，可得到灵敏度表达式： F1F1F0110FlnIITTITTIrqkTUUTUSrFFg（5）（5)42由式（5）可知，温敏二极管的灵敏度为负值，且与常数r、温度T及电流IF有关。当IFIF1时， 灵敏度表达式为 10110gln1TTqrkTUUSF（6）当TT1时， 式（6）变为 qrkTUUS011F0g（7）由式（7）可知

30、，对于给定的温敏二极管，只要工作在恒定电流下，在某已知温度T1下的灵敏度S1就仅取决于电流IF1（或正向电压UF1）的大小。 3） 自热特性温敏二极管工作时总有一定的电流流过，因此自热是不可避免的，致使其结温Tj高于环境温度TA。研究表明，在稳定状态下，自热温升由下式给出： r-与迁移率有关的常数43T=Tj-TA=RTHP=RTHIFUF（8）式中P为消耗的电功率。自热温升正比于功耗，其比例系数为热阻RTH。 将式（4）代入式（8）得： FF11011F00FTHFFTHAjln)(IITTqTkTTUUUIRUIRTTrgg由此可知，对于一定的热阻，自热温升取决于IF和T。显然， 在一定的

31、温度范围内，对于不同的工作电流，自热温升是不同的。 当TTj，IFIF1时， 由式（9）可知自热温升为 （9）F111001AjlnITBqTkUIRTTrgFTH（10）44可见，随着IF1的增加，自热温升将迅速增加；随着T1的降低，自热温升将增加。对于低温测量， 恒定工作电流一般取1050A。在室温下，对于硅和砷化镓温敏二极管，当工作电流大约超过300A时， 就应考虑自热温升。然而，对于某些非温度测量，往往有意加大工作电流，使温敏二极管工作在自热状态下，利用环境条件的变化对温敏二极管温度的影响，实现对某些非温度量如流体流速和液面位置的检测。 .半导体二极管温度传感器的应用Si单晶二极管用作

32、温度传感器，有简单、价廉的优点，但互换性差是其最大缺点。用二极管作为温度传感器制成的半导体温度计，温度在50之间变化时，输出电压的变化范围为V，因而有足够的灵敏度。453 典型应用典型应用利用温敏二极管的UF-T关系及自热特性，已制成了各种温度传感器、换能器以及温度补偿器等。下图给出了一个典型的应用实例。这是一个简易温度调节器，用于液氮气流式恒温器中77300K范围的温度调节控制。VDT是温度检测元件，采用锗温敏二极管。调节UR1，可使流过VDT的电流保持在50A左右。 比较器采用集成运算放大器A741，其输入电压为Ur和Ux，Ur为参考电压，由UR2调整给定，所要设定的温度也由此给定。Ux随

33、温敏二极管温度变化而变化，而比较器的输出随差分电压的变化而变化，并驱动由晶体管构成的电流控制器，控制加热器加热。 该温度调节器在30 min内， 控温精度约0.1。 46A74150SL1002N3055加热器15 V0 VUr5.6 k1 k8.2 kUxUR210 kBC1084.7 k10 kUR11.5 kVDT9.1 V简易温度调节器电路 47二极管作为温敏器件是利用p-n结在恒定电流下，其正向电压与温度之间的近似线性关系来实现的。但实际二极管的电压-温度特性是非线性的。在前面分析中只考虑p-n结扩散电流，忽略了空间电荷区中复合电流成分，复合电流与温度有联系。采用晶体管代替二极管作为

34、温敏器件很容易解决这个问题。在发射结正向偏置下，虽然发射极电流包括复合电流成分，但只有扩散电流成分能够到达集电极，形成集电极电流，而另两个电流成分则作为基极电流漏掉，对集电极电流无影响。从而改善了Ic-Vbe的关系。二、晶体管温度传感器二、晶体管温度传感器 硅晶体管的基极和发射极之间的电压Vbe约有-2mV的温度系数。利用这种现象制成高精度、超小型的温度传感器。测量范围在-50+250 左右。48.基本原理硅晶体管的基极-发射极电压Vbe与绝对温度T及集电极电流Ic 之间有如下关系：crgbeIATqTkqEVln/00式中Eg0-半导体在0K温度时的禁带宽度，单位为eV ； A -与发射极面

35、积相关的常数； r 与材料和工艺相关的常数；q-电子电荷； k0 -波尔兹曼常数。当Ic一定时，温度不太高的情况下， Vbe基本与温度成线性关系。当温度较高时，产生一定的非线性 偏 移 ， 如 下 图 所 示 。晶体管温度传感器的特性曲线49.晶体管温度传感器及其特性晶体管温度传感器具有优良的长期稳定性，经1000小时的室温 1 2 5 的 温 度 循 环 试 验 后 ， 性 能 几 乎 没 有 变 化 。.晶体管温度传感器基本电路 下图是温敏晶体管的基本电路。T为反馈元件跨接在运放的反向输入端和输出端，基极接地。T的集电极Ic仅取决于Rc和电压Vcc，Ic=Vcc/Rc,与温度无关，保证了恒

36、流源工作条件。用电容器C1来防止寄生振荡。50三、三、集成电路（集成电路（IC）温度传感器）温度传感器所谓IC温度传感器，是指把温度传感器与后续的放大器等，用集成化技术制作在同一基片上而成的集传感器与放大为一体的功能器件。这种传感器输出信号大，与温度有很好的线性关系，同时测量精度高，使用方便。IC温度传感器按输出方式可分为电压输出型与电流输出型。.基本原理 IC温度传感器的设计原理是，利用集电极电流比为一定的两个晶体管的Vbe之差 与温度的依赖关系，来制作温度传感器。显而易见，选择二个特性相同的晶体管，使它们工作在不同的电流下，利用它们的发射极电压之差来测温，有可能获得性能优良的温度传感器。b

37、eV51R1UBEV2V1R2IC2IC1对管差分电路原理图 52上图给出了这种对管差分电路的原理图。V1和V2是结构和性能上完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流IC1和IC2下工作。电阻R1上得到的电压为两管基极-发射极电压差。 21020g010g0BEBEBElnlnln21CCCrCrIIqTkIATqTkUIATqTkUUUU（11）由于两个晶体管集电极面积相等，因此集电极电流值比等于集电极电流密度比，所以上式可改写为 210BElnCCJJqTkU（12）式中JC1和JC2分别是V1和V2管的集电极电流密度。53由此可见，只要设法保持两个晶体管的集电极电流密度之比不变，那么

38、电阻R1上的电压UBE将正比于绝对温度。UBE是集成电路温度传感器的基本温度信号，在此基础上可以得到所要求的与温度呈线性关系的电压或电流输出。 设两管增益极高， 因此基极电流可以忽略， 即集电极电流等于发射极电流， 故有 UBER1IC2 （13）由此可知，V2的集电极电流IC2也正比于绝对温度，因此R2上的电压也正比于绝对温度。为使两管集电极电流（或电流密度）之比保持不变，电流源给出的流过V1的电流IC1也必须正比于绝对温度，于是电路总电流IC1IC2正比于绝对温度。由此可见，对管差分电路可以给出正比于绝对温度的电压，亦可给出正比于绝对温度的电流。作为温度传感器的感温部分常称为PTAT（Pr

39、oportional to Absolute Temperature）核心电路。 54对于PTAT核心电路，关键在于保证两管的集电极电流密度之比不随温度变化。因为只有实现了这一点， 电路才会有正比于温度的电压或电流输出。式（12）充分说明了这一点。为此，可采用下图所示的电流镜PTAT核心电路。 该电路由两对晶体管组成, 其中V1和V2是基本的温敏差分对管， 给出温度信号，再加上与它们分别串联的PNP管V3和V4就组成了所谓的电流镜。由于它们具有完全相同的结构和特性， 且发射极偏压又相同，所以使得流过V1和V2的集电极电流在任何温度下始终相等。实际上，在这里我们假设了晶体管的输出阻抗和电流增益均

40、为无穷大，因此可以忽略集电极电流随集电极电压UCE的变化及基极电流的影响。为使V1和V2工作在不同的集电极电流密度下， 两管采用不同的发射极面积。 设其面积比为n，则两管的电流密度比为面积的反比，因此只要在电路的“”和“-”端加上高于UBE两倍的电压 ，在电阻R1上将得到两管的基极-发射极电压差： nqTkJJqTkUCClnln0120BE（14）55R1V2V4V1V31n电流镜PTAT核心电路 56由此可见，在电流镜PTAT电路中，UBE的温度系数仅取决于两管的发射极面积比n， 而n则与温度无关。由式（14）可以计算得流过这个电路的左右两支路的电流为 nqRTkRUIln101BE（15

41、）于是由“”端到“-”端流过的总电流为 nqRTkIIln22100（16）可见，如果电阻R1不随温度变化，即其电阻温度系数为零， 则电路的总电流正比于绝对温度。这样，利用上图所示的电路， 就得到了一种基本的电流输出型温度传感器。 57R1n1V1V2V3V4R2V5UCCUo电压输出的PTAT电路 58在电流镜PTAT核心电路的基础上附加一个与V3、 V4相同的PNP晶体管V5和电阻R2组成的支路，就构成了电压输出型温度传感器的基本电路，如上图所示。V5的发射结电压与V3和V4相同，又具有相同的发射极面积，于是流过V5和R2支路的电流与另两支路电流相等，所以输出电压为 nqTkRRIRUln0122o（17）由式（17）看出，只要两电阻比为常数，就可以得到正比于绝对温度的输出电压Uo，而输出电压的温度灵敏度可由电阻比R2/R1和V1与V2的发射极面积比来调整。 最初的电压输出型温度传感器是四端传感器，其框图如下图所示。它由PTAT核心电路、参考电压源和运算放大器三部分组成，其四个端子分别为U+、U-、输入和输出。它的最大工作温度范围通常是-40125，灵敏度是10mV/K，线性偏差为0.5%2， 长期稳定性和重复性为0.3%，传感器的精度为4K。 2.典型电路及应用电压输出型电压输出型59运 放10 mV / KPTAT电 路6.85V50 kUU输 入输 出 四端