《电气测试技术第5版》 课件 4.2 微型温度传感器

02December20244.2微型温度传感器4.2.1热释电温度传感器4.2.2PN结温度传感器4.2.3集成（IC）温度传感器4.2.4石英振子温度传感器4.2.5微型温度传感器应用实例02December20244.2.1热释电温度传感器热释电晶体具有自发的电极化能力，电极化强度与温度有关，晶体的这种性质称为热释电效应。常温下，虽然晶体也产生热释电效应，在与自发极化强度垂直的两端面出现极性相反、密度等于的面束缚电荷，但是该电荷被晶体内部和外部的自由电荷中和，故对外呈现中性。由此可见，不能在静态条件下测量热释电晶体的自发极化电荷。图4-1热释电温度传感器原理a）热释电效应

b）等效电路

c）极化强度与温度的关系02December20244.2.2PN结温度传感器

利用PN结的温度特性可做成各种测温传感器。二极管PN结温度传感器基本原理

如前所述，PN结电流与电压

的关系为：式中，

A为PN结横截面积；

q为流过PN结的电荷量（

）；

为玻尔兹曼常数（

）；

T为热力学温度。在载流子注入情况下，流过PN结反向饱和电流

可表示为：02December2024对硅单晶

（4-5）式中，；

为禁带宽度。联立求解式（4-3）～式（4-5）得：

一般情况下，上式括号内的两项与温度的关系可忽略。因此

（4-6）式中，

为常数。

由此可见，PN结两端电压与温度成线性关系。02December2024基本特性

正向电流一定时，二极管PN结温度传感器PN结两端电压与温度之间的关系在相当宽的温域内具有良好的线性，见图4-2a。图4-2PN结温度传感器的特性a）二极管PN结的温度特性

b）晶体三极管PN结的温度特性02December2024晶体管PN结温度传感器

1.基本原理

硅晶体三极管的

约有2mV/℃的温度系数。利用这一性质可制成小型的晶体三极管温度传感器。

由晶体管原理可知，

、与热力学温度T有下列关系：

式中，

为与基极偏压有关的常数；

为由基区少数载流子特性决定的常数。

2.基本特性

由式（4-7）可见，

一定时，

基本上与温度T成线性关系。但温度较高时，非线性误差较严重，见图4-2b。02December20244.2.3集成（IC）温度传感器集成（IC）温度传感器是指把温度敏感元件与后续放大器集成于一片芯片上，组成传感与放大为一体的功能器件的传感器。温度敏感元件的原理与晶体管PN结温度传感器相似。电压输出型IC温度传感器

其电路原理见图4-3。电流输出型IC温度传感器

见图4-4。02December2024电压输出型IC温度传感器图4-3电压输出型IC温度传感器a）温度敏感元件

b）IC温度传感器原理电流输出型IC温度传感器图4-4电流输出型IC温度传感器a）内部电路

b）I－U转换运用等效电路02December20244.2.4石英振子温度传感器利用石英晶体切片构成振子，其谐振频率

随温度变化而变化的特性构成测温传感器。其谐振频率

为：

式中，

为谐波次数；

为晶片厚度；

为晶体密度；

为常数。在一般情况下，

、

、

均与温度有关，其中

、

与晶片切割方向有关。选择某一切割方向，可使

、

、

三者的变化互相抵消，则

随温度t的变化极小；若选择另一切割方向，可使三者随温度的变化互相加强，则

随温度的变化就十分明显，此法可用于测温。02December2024频率与温度之间的关系为：

（4-11）式中，

、

分别为温度

、

时的振荡频率；

、

、

分别为一次、二次、三次频率温度系数。由式（4-11）可见，选择某一切割方向切下的晶片，能使

、

、随温度变化引起频率的变化量相互抵消，即温度变化后，

仍等于

，故此方向切下的晶片可作为频率基准源的振子，如石英晶体振荡器的振子。但是，也可选择另一切割方向，使

、随温度的变化几乎为零，而

为最大，那么，式（4-11）可写成

（4-12）

式中，

为频率系数；

。由上式可见，

与

成线性关系。用于测温元件的石英振子是按LC方向切割的。02December20244.2.5微型温度传感器应用实例具有温度自动补偿的红外测温仪本测温仪采用LN-206P或IRA001S热释电传感器，该传感器在调制光的频率为7Hz以下工作，在1Hz获得最高频响灵敏度可达1100V/W（在温度500K时）。因此，必须把被测物体发射的连续红外光调制成1Hz的脉冲光。该仪器组成框图见图4-5。图4-5传感器与测温仪组成框图1－调制盘

2－传感器

3－电动机

4－温度补偿二极管02December2024集成红外探测报警器本红外探测/报警器选用SD02型热释电传感器，该传感器内含敏感元件、滤光片和场效应晶体管，其外型见图4-6a。其中，1脚为漏极；2脚为源极；3脚为地。当采用源极输出接法时，源极电压

0.4~1.0V。该传感器的峰值波长

9.4µm，当人体体温为36～37℃时，发出的红外线波长为9～10µm。因此，该传感器对移动的人体具有峰值频响，作为人体探测/报警器的传感元件极为合适。图4-6集成红外探测/报警器原理a）SD02传感器结构

b）报警器原理电路02December202415路巡回红外探测报警器该巡回红外探测器可对15路进行人体移动探测和声光报警，适用仓库的防盗报警。该装置选用HN911系列热释电集成传感器，其内部含有热释电检测元件，选频放大器，信号处理电路，延迟电路，温度补偿电路和高低电平输出电路等，其管脚排列见图4-7a。图中，6脚为地；3脚为VDD；4与5脚间接100变阻器调节传感器的灵敏度；1与2脚为输出，静态时，1脚输出低电平，2脚输出高电平；当有移动人体进入探测区域时，1脚由低电平变高电平，2脚由高电平变低电平。单片HN911的探测距离达15m。02December2024数字体温表体温表以晶体管PN结作为温度敏感元件，见图4-8。由图可见，敏感元件V的

随被测温度的增加而负向变化，经运算放大器后为

。调节后RP2便调节了A的闭环放大倍数，使满足0～50℃时，

。调节RP1可调节体温计的零点。数字体温计的精度可达0.05℃。数字体温计亦可用于测量电气元件、设备及电子元件表面某点的温度。图4-8数字体温表原理02December2024高精度温度测量仪原理框图见图4-9。由图可见，利用石英振子作为温度敏感元件，它作为热敏振荡器的振荡元件。基准振荡器的输出信号为稳定度极高的2.8MHz，经10倍频后，与热敏振荡器的振荡元件的输出信号

混频，其差频为

。

28MHz为对应于被测温度T=0℃时的频率。随着T的变化，

变化，

也变化。2.8MH