第一章溫度傳感器1.

1、第一章溫度傳感器一、簡介溫度傳感器的定義是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量，也叫做熱電 式傳感器二、分類將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的元件：主要有熱電阻、熱敏電阻和高分子 NTC、PTC熱敏電阻；將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢的傳感器：主要有熱電偶和PN結(jié)式傳感器；將熱輻射轉(zhuǎn) 換為電學量的器件：有熱釋電探測器、紅外探測器；還有集成溫度傳感器、光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器、智能溫度傳感器等三、講述內(nèi)容1、 熱電阻、熱電偶的測溫原理和測量方法；2、熱敏電阻的溫度特性和應用電路；3、非結(jié)型半導體溫度傳感器的原理；4、結(jié)型半導體溫度傳感器的原理及其典型的應用電路5、集成溫度傳感器的原理及其

2、應用；6溫度的測量和控制原理。1.1電阻型溫度傳感器1.1.1熱電阻利用感溫材料把測量溫度轉(zhuǎn)化為測量電阻的測溫系統(tǒng)主要有金屬熱電阻式和半導體熱電阻兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電 阻。它們的阻值隨溫度的升高有正溫度系數(shù)熱電阻，有負溫度系數(shù)熱電阻。 一、熱 電阻的特性大多數(shù)金屬導體的電阻隨溫度變化的特性方程：(100t t a R R t -+= (1 -1-1a是熱電阻的溫度系數(shù)(1/C。對于絕大多數(shù)金屬導體,a并不是一個常數(shù)，但在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看成一個常數(shù)。 不同的金屬導體，保持常數(shù)所對應 的溫度范圍也不同。a一般選作感溫電阻的材料必須滿足如下要求：電阻溫度系數(shù)要高，以提高

3、靈敏度。純金屬的比合金的大 a在測溫范圍內(nèi) 化學、物理性能穩(wěn)定，以保證熱電阻的測溫準確性。在測溫范圍內(nèi)電阻與溫度之間必須有線性或接近線性的關(guān)系。具有比較高的電阻率，以減小熱電阻的體積和重量。具有良好的可加工性，且價格便宜。比較適合的材料有鉑、銅、鐵、鎳等。幾種正溫度系數(shù)金屬熱電阻的溫度特性1. 鉑熱電阻在-1900C范圍內(nèi)為：電阻值與溫度之間的關(guān)系可以近似表示100(1320t t C Bt At R R t -+= (1 -1-2在0630.755C范圍內(nèi)為:(1-1-3 1(20Bt At R R t +=由于鉑為貴金屬，一般用于 高精度或標準電阻溫度計，2.銅熱電阻銅絲在-50150C范

4、圍內(nèi)性能很穩(wěn)定，銅電阻的阻值與溫度的關(guān)系表示為：(1-1-41320Ct Bt At R R t +=但-50150C范圍內(nèi)為線性變化，可用二項式表 示：(100t t a R R t -+=靈敏度比鉑電阻高，為(4.254.28 W-3 /C。a 3.其它熱電阻鐵和鎳的電阻電阻率較大，故可做成體積小、靈敏度高的電阻溫度計。其缺點 是易氧化，且電阻值與溫度的關(guān)系是非線性的銦電阻適宜在-269-258C范圍內(nèi)使用，測量精度高,靈敏度很高,錳電阻適宜在-271-210C范圍內(nèi)使用，靈敏度高，但脆性高易損壞；碳電阻適宜在-273-268.5C范圍內(nèi)使用，熱容量小，靈敏度高。二、熱電阻的結(jié)構(gòu)及測量電路

5、熱電阻的結(jié)構(gòu)：一般將電阻絲雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架上 經(jīng)過固定,外面再加上保護套管熱電阻的測量電路采用精度較高的電橋電路。為消除連接導線電阻隨環(huán)境溫度 變化而造成的測量誤差，常采用三線和四線連接法其中,R1、R2、R3為固定電阻,Ra為調(diào)零電阻,r1、r2、r3、r4為導線補償電阻。要求接相鄰橋臂上r2a的長度和相等，電阻的變化不影響電橋的狀態(tài)TZ圖1-1-2熱電阻測溫電橋的三線連接法圖1-1-3熱電阻測溫電橋的四線連接法熱電阻R A通過電阻r 1,r 2,r g的三根導線和電橋連接；電橋在零位調(diào)整時用R 4=R a +Rt 0,( Rt 0為熱電阻在參考溫度t 0時的電阻值。

6、三線接法中可調(diào)電阻的觸 點，接觸電阻和電橋臂的電阻相連，可能導致電橋的零點不穩(wěn)定。四線接法中，調(diào)零的 R 0電位器的接觸點和檢流計串聯(lián)，這樣接觸點的不穩(wěn)定不會破壞電橋的平衡和正常 工作。1.1.2熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物和添加劑，采用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的電 阻器，其電阻溫度系數(shù)比金屬的大很多，被稱為熱敏電阻。熱敏電阻分為三種類型：正溫度系數(shù)(PTC Positive Temperature Coefficient熱敏電阻，負溫度系數(shù) (NTC Negative Temperature Coefficient熱敏電阻臨界溫度系數(shù)(CTRCritical Temperature R

7、esistor熱敏電阻。107106105104103102101100比電阻P ( Q c m溫度(C 200PTCNTCCTR圖1-1-4三種熱敏電阻的電阻-溫度特性一、熱敏電阻特性參數(shù)1. 標稱電阻值（R 25:是熱敏電阻在25C時的零功率狀態(tài)下的阻值。則按下式計算:25（12525-+ ?=t R R ta-1（62. 電阻溫度系數(shù)（a T指在規(guī)定的溫度下，單位溫度變化使熱敏電阻的阻值變化的相對值。表示：1001 ?=dTdR R TT T a 1-73. 時間常數(shù)（T等于熱敏電阻在零功率測量狀態(tài)下，當環(huán)境溫度突變時，熱敏電阻 的阻值從起始值變化到最終變化量的 63%時所需的時間。4.

8、 額定功率（P E :指在標準壓力（750mmHg和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，電阻長期 連續(xù)工作所允許的最大耗散功率。二、PTC熱敏電阻常用的基體材料是BaTiO 3,以稀土元素為添加劑經(jīng)陶瓷工藝燒結(jié)制成。1.電阻溫度特性 如圖PTC的電阻值隨溫度變化的特性曲線。曲線I中曲線很陡，稱為突變型（開關(guān)型。曲線中出現(xiàn)一個電阻最小值R min ,當溫度高于Tb后阻值才開始隨溫度很快地變化，則把Tb稱為開關(guān)溫度，在開關(guān)溫度以上，溫度為T時的阻值R T與溫度T對應的阻值為開關(guān)電阻（R b 的關(guān)系近似為,（1-1-8 exp（0AT R R T =式中R 0為常溫下熱敏電阻的阻值,A為材料 常數(shù)?？梢郧蟪鲞@種突

9、變型PTC熱敏電阻的溫度系數(shù) a功:%1OO1X=? =A dTdR R TT T a (1-9式說明與溫度無關(guān)。曲線U的阻值隨溫度變化緩慢，被稱為緩變型PTC熱敏電阻，其阻值R T與溫度T的關(guān)系近似為線性，即：(1-1-10 BT A R T +=式中A,B為材料常數(shù),%100X+=BTA BT a圖1-1-5 PTC電阻-溫度曲線表明緩變型PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)隨溫度而變化，適用于溫度補償。2.PTC的靜態(tài)伏安特性曲線Ki指在一定溫度下靜止的空氣中PTC兩端的電壓降與電阻穩(wěn)態(tài)電流之間的關(guān)系。圖中曲線AB段，由于所加電壓不高，所加功耗不引起電阻的溫度升高，此時流過PTC的電流與所加的電

10、壓成正比，其特性與普通電阻相似，AB段與電阻線（直線1、2、3平行，但隨著電壓升高,功耗進一步增大溫度隨之上升，阻 值也急劇地上升，電流將隨電壓的上升而下降，圖中BC段。從圖中看出,BC段曲線 基本上是與功率線（直線4、5、6相平行的。電壓繼續(xù)增高，由于PTC熱敏電阻的晶 粒邊界效應，使其電流值趨于平緩，阻體的功耗隨之增加，因而阻體溫度也隨之提高，如 圖中CD段所示。若再增大電壓，阻體溫度將進一步提高，電流將會回升，會造成PTC 失去熱自控作用，使元件燒壞。三、NTC熱敏電阻大都是用Mn、Co、Ni、Fe等過渡金屬氧化物按一定比例采用陶瓷工藝制備而成的。1. NTC電阻的溫度特性：由圖1-1-

11、4中NTC的電阻值隨溫度下降的關(guān)系曲線，可以寫出溫度為T時的阻 值的近似表達式為：? =T B R R T exp 0(1-1-12式中B為材料常數(shù),為Tx時的阻值0R對式子兩邊取對數(shù)有：？?？? +=T B InR InR T 0 （1-1-13由（1-1-13可以看出,TInR T 1為直線如圖1-1-8所示，且B為直線的斜率。由（1-1-7式和（1-1-12式可以求出NTC小的.B -=顯然,T a圖1-1-7 NTC電阻的lnR T 1/T關(guān)系曲線 圖1-1-8 NTC電阻的靜態(tài)伏安曲線2.NTC的靜態(tài)伏安特性曲線圖1-1-8為典型的NTC靜態(tài)伏安曲線。溫度為T 0時給NTC上通有電流

12、I,則電阻兩端的電壓U T為：? +=T T B IR IR U T T OOexp （1M-16式中/T為熱敏電阻的溫度升高量,R 0exp（B/T 0是溫度為T 0時NTC的阻 值。解釋:當電流I很小時功耗P=I 2R很小,引起的 T可忽略，即R 0exp（B/T 0不變, 電壓隨電流的增大而線性增大（oa段;電流再增大，功耗使電阻溫度升高即 T增大, 阻值下降，電壓偏離線性，但是還隨I增加（ab段;繼續(xù)增大電流，電阻因升溫而迅速下 降，電壓越過b點很快下降（bd段，溫度很高時,電阻下降緩慢，電壓也下降變緩（de段, 顯然電壓出現(xiàn)極大值（b點。按使用范圍大致可分為低溫（-60300C、中溫

13、（300600C及高溫（600E三種類 型。NTC都可用于溫度檢測、溫度補償、控溫等各種電路中。四、CTR熱敏電阻是指在某一溫度附近電阻值發(fā)生突變，且于幾度的狹小溫區(qū)內(nèi)隨溫度的增加阻 值降低34個數(shù)量級。阻值的突變點稱為臨界溫度點，此類半導體陶瓷材料在該溫度點發(fā)生半導體向金屬的相變，引起電導的極大變化，典型的CTR電阻材料為V20 3,其相變點可通過添加 Ge、Ni、W、Mn等元素來調(diào)整。10101102103104105溫度TC電阻R （ QCTR熱敏電阻溫度特性曲線 不同T c的CTR電阻的電阻溫度特性與相變溫度對應的宏觀開關(guān)溫度（T c定義為電阻值下降到某一規(guī)定值（通常是 標稱電阻乘以一

14、規(guī)定系數(shù)如80%時所對應的溫度，該規(guī)定值稱為開關(guān)電阻（R c。d-*11因為在T c處CTR的溫度系數(shù)a T勺絕對值很大，但隨溫度的升高，溫度系數(shù)的 絕對值減小到某一規(guī)定值時所對應的溫度稱為最低溫度，最低溫度對應的電阻值稱 為最小電阻值R min。用降值比書來描述下降的快慢，即標稱電阻R 25與最小電阻比值R min的對數(shù)，即? =mi n25lg RR書（11-18降值比越大，說明開關(guān)特性越好。由于CTR電阻具有很大的負溫度系數(shù)，可用作控溫、報警、無觸點開關(guān)等場 合。五、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及其特點有珠狀、圓片型、方片型、棒狀、厚薄膜型珠狀是在兩根鉑絲間點上熱敏漿料，燒成后封裝在玻璃管中，元件體積

15、小、響應 快、精度高、高溫穩(wěn)定性好，適用于200C以上的溫度測量。圓片型是用典型的陶瓷燒結(jié)工藝制成，在150C下穩(wěn)定性好，適用于溫度補償,可 選用不同阻值、不同B值的片子相互串并聯(lián)搭配共同封裝于同一外殼里，可制成互 換性好的高精度熱敏電阻，用于對響應時間要求不高的場合。方片型也是用陶瓷工藝燒制成的，在250r以下有良好的穩(wěn)定性，適用于200r 以下的測控溫及溫度補償，也可直接貼在集成塊或印制板上，便于集成化。棒狀具有良好的穩(wěn)定性，易制成高阻值、低B值的器件，用于高溫電路。厚薄膜型是用陶瓷漿料添加適量 Ru02、Rn02、Ag、Pb等導電微粒涂成膜狀 燒結(jié)而成，薄膜型可用薄膜技術(shù)制備，其特點是響

16、應很快，一致性好、便于集成，可用作 輻射測溫傳感器。1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器 一、半導體熱電阻溫度傳感器的工作原理半導體材料的電阻率p可以用下式表示：(p n pq nq 卩卩卩+=1對于P型半導體材料，則上式可以簡化為:ppq ypl(1-1-20對于N型半導體，則可簡化為:nnq ypl以上表明，半導體材料的電阻率主要決定于載流子（電子或空穴濃度和遷移率1.遷移率與溫度的關(guān)系卩與載流子在電場作用下的散射機理有關(guān)。摻雜的鍺、硅等單質(zhì)半導體主要的 散射機構(gòu)是聲學波散射和電離雜質(zhì)散射，其聲學波散射遷移率 卩歩口電離雜質(zhì)散射遷移 率卩與溫度T的關(guān)系可以表示為：2/3*1AT m q s ?

17、=卩 ii BN T m q 2/3?=?卩（11-22而兩種散射機構(gòu)的關(guān)系為：is111+/32/3-?+=TBN AT m q卩i （-1-24圖1-1-11可以看出在高純樣品（如N i =1013/cm 3或雜質(zhì)濃度較遷移 率隨溫度升高迅速減小，晶格散射起主要作用所致。當雜質(zhì)增加后，遷移率下降趨勢不太顯著，說明雜質(zhì)散射機構(gòu)的影響在逐漸加 強。當雜質(zhì)濃度很高時（如1019/cm 3,在低溫范圍，隨著溫度的升高電子遷移率反而 緩慢上升，直到較高溫度才稍有下降，這說明雜質(zhì)散射比較顯著。溫度繼續(xù)升高后，雖 然N i很大,但因為T增大可以使BN i T-3/2降低,這時又以晶格振動散射為主，故遷移

18、率下降。圖1-1-11硅中電子和空穴遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系2.電阻率與溫度的關(guān)系對于純半導體材料，電阻率主要由本征載流子濃度 N i決定。N i隨溫度上升而 急劇增加，而遷移率（卩和卩p只稍有下降，所以電阻率將相應地降低一半左右；本征半導 體丄UUZ1UU電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降。對于雜質(zhì)半導體，載流子濃度受雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個因素影響，因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系更為復雜。當硅的雜質(zhì)濃度一定時，電阻率與溫度的關(guān)系如圖1-1-12所示曲線大致分為三段：在AB段，溫度很低本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì) 電離提供，它隨溫度的升高而增加，遷移率也隨溫度升高而增大，所以電阻率隨溫度升 咼而

19、下降。BC段中，溫度繼續(xù)升高雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不十分顯著，載流子濃度基本上不隨溫度變化。遷移率隨溫度升高而降低，所以電阻率隨溫度升高而增大PiCD段:溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，大量本征載流子的產(chǎn)生遠遠超過遷移 率減小對電阻率的影響。雜質(zhì)半導體的電阻率將隨溫度的升高而急劇下降。溫度高到本征導電起主要作用時，一般器件就不能正常工作。一般地說，鍺器件 最高工作溫度為100C ,硅為200C，而砷化傢可達450Eo硅電阻率與溫度關(guān)系 二、硅熱電阻的結(jié)構(gòu)和制作工藝有兩種結(jié)構(gòu)形式如圖1-1-13所示，一是棒狀（圖a b,二是擴散電阻型（圖co目 前棒狀電阻主要的結(jié)構(gòu)為圖b形式它是用厚250卩

20、m長寬為500卩m的n型硅片制成 的平面結(jié)構(gòu)。上電極與圓形歐姆接觸區(qū)相接；下電極也是與作為歐姆接觸的厚約 3.5卩的 n +型區(qū)相接。圖c擴散式電阻，若擴散區(qū)的寬度為 W ,長度為，則電阻的阻 值為:L WLR R 口=(1-1-25 (a棒狀電阻的立體圖金屬電極半導體單晶棒金屬電極Ag電極SiO 2N-Si N +N +Ag電極(b棒狀電阻的剖面圖接線孔(C芯片上擴散電阻示意圖p方塊電阻為：W圖1-1-13硅溫度傳感器的結(jié)構(gòu)已知擴散區(qū)半導體材料的電阻率R 2 p(1-1-26而利用半導體電阻率隨著溫度的變化和調(diào)整擴散區(qū)的寬度可以制成溫度傳感三、硅熱電阻的特性1.電阻一溫度特性20硅電阻隨溫度

21、的變化特性如圖1-1-14所示。當硅溫度傳感器處于加一定電壓 時保持偏置電流為1mA;在55175C溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度的升高而增大 具有 較好的線性度，誤差小于 吃。室溫下（25T ,電阻值為1000歐姆，誤差在%以內(nèi)。2.電阻溫度系數(shù)硅熱電阻的電阻溫度系數(shù)a T由下式給出：（2525- ?=T R R In T TaX(%0O%-50隨著溫度的升高,a值減小。圖1-1-15所示。硅溫度傳感器在不同溫度下電阻 與電流的關(guān)系如圖1-1-16所示，表明,對于不同的溫度，當電流超過1mA時電阻就會 增大。這是由于電流的自身熱效應使電阻增大。因此硅溫度傳感器的工作電流應小 于1mA為宜。OOOO

22、55550-5050100150溫度C電阻溫度系數(shù)（%C2.52.01.51.00.50.10.51510電流（mA電阻（K Q圖1-1-15硅熱電阻的電阻溫度系數(shù) 圖1-1-16硅熱電阻的電阻與電流的關(guān)系50-5Ca T與溫度的關(guān)系1.1.4電阻式溫度傳感器的應用電阻溫度傳感器不僅用作溫度的測量和控制，還可應用于溫度補償，過熱過電流 保護，無觸點開關(guān)等許多場合。下面簡單給出幾個例子。、溫度檢測及指示圖1-1-17為簡單的測量溫度電路原理圖，具體測量時,給電路加上調(diào)零電阻，將R拉到被測現(xiàn)場。如汽車水溫測量、自動熱水器、電冰箱等家用電器的溫度控制等。由于此電路沒有用繁雜的二次儀表，因而性能穩(wěn)定可

23、靠圖1-1-17溫度測量電路圖1-1-18流量測量的電路原理圖圖1-1-18中當液體靜止時，調(diào)整調(diào)零電阻Ra，使檢流計為0。當液體流動時，NTC熱敏電阻Rt1與Rt2的阻值變化不同，使流過電流表的電流發(fā)生變化RRR二、溫度補償電路圖1-1-19中利用熱敏電阻的溫度特性對各種晶體管進行溫度補償。如圖NTC熱敏電阻對晶體管進行補償?shù)碾娐贰囟壬邥r圖中晶體管的Vbe下降，而RT下降，即RT /Rb，減小，使R上壓降增加，這樣補償了 Vbe的下降引起的Ie增加。圖b為對晶體管IeR的補償，其中的溫度補償元件為緩變型 PTC電阻，溫度升高RT增大，補償了因Vbe下降而使電流IKKe的增加(a NT的補

24、償圖1-1-19晶體管的溫度補償電路三、過熱保護始R較小，變壓器上電流大，功耗也大，使溫度上升,R T隨之增加，電流又減小，變 壓器功耗減小，防止了變壓器過熱。C對V be的補償(b PTC對I e有直接保護和間接保護兩種形式。圖1-1-20為PTC電阻對馬達、變壓器的過熱保護電路。圖a中按下開關(guān)K時R T較小,其上電流大,繼電器J吸合，馬達轉(zhuǎn)動,K又自動打開，電源通過J給馬達、PTC電阻提供電流, 馬達轉(zhuǎn)動溫度升高，R T值增大使其上分流下降，當馬達溫度過高I Rt小于一定值 時J斷開,保護了馬達過熱狀態(tài)。圖b中接上電源，起(a馬達保護保護圖1-1-20 PTC的過熱保護電路四、自動延時電路

25、器因電流小而不動作，燈沒有亮，經(jīng)過一定時間后,R因功耗而增大，分流減小，當 繼電器上電流增大到可動值時才動作，即繼電器動作延遲，燈也就延遲打開，延遲時間 可由R 0(b變壓器圖1-1-21給出一種延遲開關(guān)原理圖，當電源接通時,R T較小，此支路的分流大，繼電T調(diào)節(jié)圖1-1-21自動延時電路 圖1-1-22馬達啟動原理圖圖1-1-22為空調(diào)機、電冰箱、電風扇微風檔等設備的馬達啟動原理電路。一 般馬達啟動時，需要較大的啟動功率，而當其正常運轉(zhuǎn)時，所需功率大幅度減小。附加 啟動繞組L 2只在電機啟動時工作，運轉(zhuǎn)正常后自動斷開。PTC熱敏電阻器在此充 當自動通斷的無觸點開關(guān)。其原理是把 PTC元件與L 2串聯(lián),由于熱敏電阻的冷態(tài) 電阻遠小于線圈阻抗R L2,因此對啟動電流幾乎沒有影響。隨著熱敏電阻被加熱，電阻值升高，當電阻值升高到遠大于 R L2時,啟動繞組視同切斷。五、控溫電路KKn1 22OV圖1-1-23為NTC熱敏電阻與繼電器組成的控溫電路。起初溫度較低,R t較大,調(diào)整電橋平衡，加熱器加熱；當溫度升高，繼電器上開始有電流，當溫度高于T 0時，電 橋輸出使線圈電流