半导体敏感元件(热敏元件与温度传感器)

大
普通工业热电偶
铠装热电偶
表面温度热电偶
2.热电偶
2.5 热电偶的冷端补偿
学 沈 热电势:
E f (T ) f (T0 )
阳 测 温: 获得T → T0固定 → T0=0℃（冷端） 工 冷 端：干扰、波动 T00 误差 冷端温度补偿
业 冷端温度补偿方法：
大 A 0℃恒温法
适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用
dU f 2mV / K dT
当电流密度J保持不变时， PN结正向压降随着温度T的上升而下降，近似线性关系，
对于硅二极管，温度升高1摄氏度，正向电压下降2mV。
6半导体热敏二极管
学沈 阳 工 业 大
灵敏度
S U f T
dU f U f Vg 3K
dT
T
q
非线性误差
非线性误差不仅与温度有关，而且与正向电流有关。
总结：导电机理-多晶材料的晶粒间界处势垒随温度变化。
5 硅电阻温度传感器
学沈 阳 工 业 大
利用半导体材料电阻率随温度变化的特性进行温度测量。
A 纯半导体材料 ni随温度增加而增大，室温附近，温度增加8摄氏度，硅的ni就增
加一倍，因为迁移率只有稍微下降，电阻率降低一半左右；
B 杂质半导体 载流子产生
T0
σA-汤姆逊系数
2.热电偶
2.1 工作原理
学沈
EAB (T，T0 ) eAB (T ) eB (T，T0 ) eBA(T0 ) eA (T0，T )
阳
kT q
ln
NA NB
T
BdT
T0
k T0 q
ln
NB NA
T0
AdT
T
kT q
ln
NA NB
T
BdT
T0
k T0 q
本征载流子浓度与温度的关系
ni=CT3/2exp(-Eg0/2kT)
Is
qVg
AqCT3e KT
( Dn Ln N A
DD Lp ND
)
qVg
BT 3e KT
IF
BT e3
qVg qU f KT KT
Uf
Vg
KT q
ln
BT3 If
dU f U f Vg 3K
dT
T
q
300K，且硅管Uf=0.65V时，
ln
NA NB
T
AdT
T0
工 业
kT q
ln
NA NB
T 0
( B
A)dT
( kT0 q
ln
NA NB
T0
( B
0
A)dT
=F(T)-F(T0)
大
若T0为常数， E(T,T0)=F(T)-C
两种特殊情况
若两种导体相同： NA=NB → E=0 若两端无温差： T=T0 → E=0
注：热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与 导体的粗细长短及两导体接触面积无关。
铜电阻
在-50～180℃范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为
Rt R0 (1 t)
温度0℃时的电阻 值
α:铜电阻温度系数（4.25×10-3- 4.28×10-3/℃)
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
热电阻结构
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
热电阻结构
铂电阻温度传感器采用日本进口薄膜铂电阻元件精心制作而成，具有精度高， 稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点, 适用于小管道（1/2英吋~8英吋）以及狭 小空间高精度测温领域，与二次显示表以及PLC配合。
2.热电偶
学沈 阳
2.2热电偶基本定律 中间导体定律
热电偶中接入第三种材料，只要接入材料两端温度相等，热电偶总热电势不变。
工
业
大
中间温度定律 EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
A
T1
B
T2
B
T3
A B
2.热电偶
2.3 常用热电偶材料
学沈 阳 工 业
材料
铂铹10 铂铹13 铂铹30 镍铬
T2
T1
R1
V0 R2
电压型集成温度传感器电路
特点： “失调电压”小，标定简单， 使用方便，电路需要校准，成本高。
温度传感器 参考电压 V0
7 IC温度传感器
学沈 阳 工 业 大
数字输出温度传感器
Smartec温度传感器是数字输出硅传感器，一线制输出可以直接和控制器 连接而无需AD转换。温度范围为–45 ℃ to 150 ℃. 传感器可提供多种封装。
4 半导体陶瓷热敏电阻
B 正温度系数热敏电阻(PTC)
学沈 阳 工 业
实验公式 RT RT0 exp BP T T0
ln RT BP T T0 ln RT0
导电机理
电子
晶界
lnRr
lnRr1 lnRr2
BP β
m
R
大
（a）
居里温度
lnRr0
（b）
居里温度以上
T2
T1
T
lnRT~T 表示PTC热敏电阻电阻-温度曲线
液体膨胀式温度计
固体膨胀式温度计
玻璃管温度计
双金属温度计
1.概述
学沈 阳 工 业 大
温度传感器
温度 → 敏感元件 → 电参数
分类
温度 传感器
热电式 热阻式
热电偶
金属
热电阻
半导体
半导体陶瓷热敏电阻
热敏二极管
PN结式 热敏三极管
集成温度传感器
测量方法
接触测温 非接触测温
热传导测温 热辐射测温
2.热电偶
2.1 工作原理（热电效应，或称为赛贝克效应）
学沈 阳
两种不同导体构成闭合回路 两个节点（A、B）温度不同
电动势
工
接触电势（珀尔贴电势）
业
不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势
大
EAB (T )
kT q
ln
NA NB
温差电势（汤姆逊电势）
同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→ 低） →电势
T
EA (T ,T0 ) AdT
I=KT·Tc＋273.2 Tc——摄氏温度；I 的单位为μA。
I/ μA 273.2μA
－55
0
150 TC / ºC
AD590温度特性曲线
7 IC温度传感器
电流型温度传感器
D) AD590的测量电路
学沈 阳
AD590在温度25℃（298.2K）时，理想输出为298.2μA，实际存在误 差，可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K 的关系。
业 结构：热电极 + 绝缘材料
大ຫໍສະໝຸດ Baidu
+ 金属保护套
特点：细长(1~3mm)，可以弯曲，挠性好，强度高 测端热容量小，动态响应快(0.01s)。
c) 薄膜型热电偶：
具有热容量小, 反应速度快等的特点, 热相应时间达到微秒级。
2.热电偶（thermocouple）
2.4 热电偶结构
学沈 阳 工 业
普通工业热电偶
杂质电离 本征激发
散射结构
电离杂质散射 晶格散射
硅电阻率与温度关系示意图
6半导体热敏二极管
学沈 阳 工 业 大
利用半导体PN结的正向压降与温度关系实现温-电转换。
对于理想PN结：在强电离,小注入,Vf大于几个KT/q时，
qU f
I f I se KT
Is
Aqni2
(
Dn Ln N
A
DD ) Lp N D
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
原理：热能 热电阻 电阻值 T
热电阻
R
材料：纯金属 ---铂、铜、镍、铁
温度 热电阻 阻值
铂电阻
在0～630.74℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为
Rt R0[1 At Bt 2 ]
当-190℃<t<0℃时
Rt R0[1 At Bt 2 C(t 100 )t3 ]
测温电路
REF为双恒流源集成芯片，提供 两路100µA的恒定电流。
三极管C-B结短接用作 热敏二极管
W2灵敏 度调节
V0=(VBE+100*W1)(1+W2/R1))-100*W2
W1调零
电阻 测温电路
7 IC温度传感器
集成电路对管温度传感器
学沈 阳 工 业 大
工作原理分析
集电极电流I与Vbe的关系:
(90%,10%)
纯铂
纯铂
铂铹6 镍硅
(97.5%,2.5%)
实用使用测温范围 0 ~ 1600 ℃ 0 ~ 1600 ℃ 0 ~ 1800 ℃ -40 ~ 1300 ℃
分度号 S R B K
大
分度表--热电势与热端温度之间关系列成表格
冷端为0 ℃
2.热电偶
2.4 热电偶结构
学 沈 a) 普通热电偶： 阳 结构：1-热电极 2-绝缘套管 3-保护套管 4-接线盒 工 b) 铠装热电偶：
学沈 阳 工
热敏元件与温度传感器
业 大
本章主要内容
学沈 阳 工 业 大
1.概述 2.热电偶 3.热电阻 4.半导体陶瓷热敏电阻 5.硅电阻温度传感器 6.半导体热敏二极管 7.集成温度传感器
1.概述
学沈 阳 工 业 大
温度最本质的性质
当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束 后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。
Ic1
Is1exp
q KT
Vbe1
(1)
Ic2
Is2exp
q KT
Vbe 2
Vbe Vbe1 - Vbe2 KT ln Ic1 KT ln R 2 (2) q Ic2 q R1
V0
Vbe
( Vbe R3
-
Ic2
)
R4
Vbe(1
R4 ) R3
(3)
V0
(1
R4 R3
)
KT q
ln
Vbe3
Ic4
Is4exp
q KT
Vbe 4
γ
KT ΔVbe q lnγ I1R
I0
2 KT qR
lnγ
总结：I0与温度具有良好的线性关系。
7 IC温度传感器
电流型温度传感器
学沈 阳 工 业 大
电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国 内同类产品SG590。器件电源电压4～30V， 测温范围-50～+150℃。
AD590集成温度传感器
电路图
7 IC温度传感器
电流型温度传感器
学沈 阳 工 业 大
AD590集成温度传感器 A 主要电路分析
T1,T3,T6构成恒流源 Ic1= Ic3= I1= 2 Ic6
Ic10= Ic7+ Ic8= Ic1=I1
Ic9= Ic11= Ic1=Ic3
Vbe11 Vbe9 KT ln8 I1R6 q
4 半导体陶瓷热敏电阻
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热敏电阻。
学沈 阳 工 业 大
分类 A负温度系数热敏电阻(NTC)
测温范围宽，主要用于温度测量; B正温度系数热敏电阻(PTC)
温度范围较窄，一般用于恒温加热控制，或 者温度开关。一些功率PTC元件作为发热元件 使用;
C临界温度系数热敏电阻(CTR) 温控开关
7 IC温度传感器
学沈 阳 工 业 大
DS1820的工作原理
64bit
存储器控制逻辑
ROM 和单线
温度传感器
电 源 检 测
接口
存 储 高温触发器 器
低温触发器
8位CRC触发器
DS1820内部结构图
DS1820的管脚排列 温度测量电路
作业
学沈 阳 工 业 大
1.对于掺杂的硅、锗等原子半导体，探讨其迁移率与温度的关系。 2.分析电压型集成温度传感器工作原理（p102）。 3.解释温标。 4.了解其他测温方法。
4 半导体陶瓷热敏电阻
学沈 阳 工 业 大
A负温度系数热敏电阻(NTC)
数学表达式
RT
RT0
exp
BN
1 T
1 T0
105
ln RT
BN
1 T
1 T0
ln RT0
104
导电机理
电 103
阻/Ω
102
120 100 85 70 50 30 10 0 -10 T/ºC
NTC热敏电阻器的电阻--温度曲线
I0 3 KT ln8 qR6
总结：电流与温度成正比，误差较小，且线性较好。
7 IC温度传感器
学沈 阳 工 业 大
B) AD590伏安特性
工作电压：4V～30V
I = KT ·TK
KT—标定因子，为1μA/℃。
AD590伏安特性曲线
电流型温度传感器 C) AD590温度特性 省略非线性项后则有:
2.热电偶
学沈 阳 工 业 大
冷端温度补偿方法：
B 冷端温度修正法
设：冷端温度恒为t0（t0≠0）被测温度为 t
测量得出的热电势
修正公式 (t,0) E(t, t0 ) E(t0 ,0)
被测温度 t 的热电势
冷端 t0的热电势
C仪表机械零点调整法
将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之 前就给显示仪表输入了电势E(t0, 0)。
A=3.96847×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-12/℃4 构成： 金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈 特点： (1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工
艺性好。不能用于还原介质 。 (2) 输入输出特性接近线性
3热电阻
学沈 阳 工 业 大
R2 R1
(4)
总结：输出电压与绝对温度T成比例，线性较好，其比例系数只取决于4个电阻比值。
7 IC温度传感器
改进型集成电路对管温度传感器
工作原理分析
学 沈 根据镜像电流源原理
阳
Ic1=Ic2=Ic3=Ic4=I1
晶体管的反向饱和电流与发射结面积成正比
工
Is3=γIs4
业
大
Ic3
Is3exp
q KT
工
业
大
AD590 典型应用电路(1)
AD590 典型应用电路(2)
7 IC温度传感器
电压型集成温度传感器
学沈 阳 工 业 大
电压型PTAT集成温度传感器
输出电压正比于绝对温度的集成温度传感器。
电路分析：
T3
Vcc
T4
T5
I R1
KT qR1
ln
输出电压：
V0
R2 R1
KT q
ln
具有内部参考电压的温度传感器