《半导体温度传感器》PPT课件.ppt
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1、第8章 半导体传感器第第8章章 半导体传感器半导体传感器 8.1 半导体温度传感器半导体温度传感器8.2 半导体湿度传感器半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器半导体气体传感器 8.4 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器 第8章 半导体传感器温度传感器的种类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准温度计和工可分为基准温度计和工业温度计;按照测量方法又可分为业温度计;按照测量方法又可分为接触式接触式和和非接非接触式触式;按工作原理又可分为;按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热热电式电式、辐射式辐射式等等;按输出方式分,有自发电型、等等;按输出方式分,有自发电型、非电测型等。
2、非电测型等。第8章 半导体传感器1 1常常用用热电阻阻 范范围:-260-260850850;精精度度:0.0010.001。改改进后后可可连续工工作作2000h2000h,失效率小于,失效率小于1 1,使用期,使用期为1010年。年。2 2管管缆热电阻阻 测温范温范围为-20-20500500,最高上限,最高上限为10001000,精度,精度为级。接触式温度传感器3 3陶瓷陶瓷热电阻阻 测量范量范围为200200+500+500,精度,精度为、级。4 4超低温超低温热电阻阻两种碳两种碳电阻,可分阻,可分别测量量253-253-272.99272.99的温度。的温度。5 5热敏敏电阻阻器器 适
3、适于于在在高高灵灵敏敏度度的的微微小小温温度度测量量场合合使使用用。经济性性好好、价价格格便宜。便宜。接触式温度接触式温度传感器的特点:感器的特点:传感器直接与被感器直接与被测物体接触物体接触进行温度行温度测量,由于被量,由于被测物体的物体的热量量传递给传感器,降低了感器,降低了被被测物体温度,特物体温度,特别是被是被测物体物体热容量容量较小小时,测量精度量精度较低。因此采用低。因此采用这种方式要种方式要测得物体的真得物体的真实温度的前提条件是温度的前提条件是被被测物体的物体的热容量要足容量要足够大。大。第8章 半导体传感器l l辐射射高高温温计 用用来来测量量 10001000以以上上高高温
4、温。分分四四种种:光光学学高高温温计、比比色色高高温温计、辐射高温射高温计和光和光电高温高温计。2 2光光谱高高温温计 前前苏联研研制制的的YCIIYCII型型自自动测温温通通用用光光谱高高温温计,其其测量量范范围为4004006000,6000,它它是是采采用用电子子化化自自动跟跟踪踪系系统,保保证有有足足够准准确确的的精精度度进行行自自动测量。量。非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传感感器器 特特点点是是响响应快快(约为10ms10ms左左右右),方方向向性性强。目目前前国国外外有可有可测到到5000 5000 的的产品。品。4 4激激光光温温度度传感感器器 适适用用于于远程程和
5、和特特殊殊环境境下下的的温温度度测量量。如如NBSNBS公公司司用用氦氦氖激激光光源源的的激激光光做做光光反反射射计可可测很很高高的的温温度度,精精度度为1 1。美美国国麻麻省省理理工工学学院院研研制制的的一一种种激激光光温温度度计,最最高高温温度度可可达达80008000,专门用用于于核核聚聚变研研究究。瑞瑞士士Browa BorerBrowa Borer研究中心用激光温度研究中心用激光温度传感器可感器可测几千开几千开(K)(K)的高温。的高温。非接触式温度非接触式温度传感器主要是利用被感器主要是利用被测物体物体热辐射而射而发出出红外外线,从而,从而测量物体的温度,可量物体的温度,可进行遥行
6、遥测。其制造成本。其制造成本较高,高,测量量精度却精度却较低。低。优点是:不从被点是:不从被测物体上吸收物体上吸收热量;不会干量;不会干扰被被测对象的温度象的温度场;连续测量不会量不会产生消耗;反生消耗;反应快等。快等。第8章 半导体传感器 8.1 半导体温度传感器半导体温度传感器 8.1.1 8.1.1 接触型半接触型半导体体传感器感器热电阻阻传感器有两大感器有两大类:、金属金属热电阻阻俗称俗称热电阻(阻(热电阻阻传感器);感器);、半半导体体热电阻阻俗称俗称热敏敏电阻(阻(热敏敏电阻阻传感器)感器)基于基于热电阻效阻效应:电阻率随温度阻率随温度变化化发生改生改变的的现象象电阻与温度的关系阻
7、与温度的关系大多数金属大多数金属导体的体的电阻随温度而阻随温度而变化的关系可由下式表示化的关系可由下式表示 R Rt t=R=R0 01+1+(t-tt-t0 0)第8章 半导体传感器1.热电阻传感器热电阻传感器对热电阻材料的要求对热电阻材料的要求:电阻温度系数阻温度系数要尽可能大,且要尽可能大,且稳定;定;电阻率阻率要高;要高;比比热小,亦即小,亦即热惯性小;性小;电阻阻值随温度随温度变化关系最好是化关系最好是线性关系;性关系;在在较宽的的测量范量范围内具有内具有稳定的物理化学性定的物理化学性质;良好的工良好的工艺性,即特性的性,即特性的复复现性好性好,便于批量生,便于批量生产。第8章 半导
8、体传感器热电阻传感器热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。1 1、铂热电阻阻:型号:型号为WZBWZB,分度号分度号为BABA1 R1 R0 04646和和BABA2 R2 R0 0100 100。2 2、铜热电阻阻:型号:型号为WZGWZG,分度号,分度号为G G ,R R0 03333 R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2CtCt3 3 其其优点:点:输出出输入特性近似入特性近似线性;性;工工艺性好,价格便宜。性好,价格便宜。其缺点:其缺点:电阻率小,阻率小,仅为铂的的1 16 6,故体,故体积
9、大,大,热惯性大。性大。当温度高于当温度高于1000C1000C时,易氧化、,易氧化、测量范量范围小,不适于在小,不适于在 腐腐蚀性介性介质或高温下工作。或高温下工作。3 3、镍热电阻阻在在-50-502000C2000C范范围内,内,镍的的电阻与温度的关系一般可写成阻与温度的关系一般可写成R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2 4 4、其他其他热电阻阻铟热电阻阻锰热电阻阻 碳碳热电阻阻 铁热电阻、阻、镍热电阻阻 常用热电阻常用热电阻 第8章 半导体传感器习题习题1Pt100Pt100和和Cu50Cu50各代表什么各代表什么传感器?感器?分分别代表代表铂电阻阻热电式式传感器(感器(
10、0 0度度时电阻阻值为100100),),铜电阻阻热电式式传感器感器(0(0摄氏度氏度时电阻阻值为50).50).第8章 半导体传感器2.半导体热敏电阻半导体热敏电阻热敏敏电阻是利用某种阻是利用某种半半导体材料的体材料的电阻率随温度阻率随温度变化而化而变化化的性的性质制成的。制成的。工作原理工作原理一般用量子一般用量子跃迁迁观点点进行分析。由于行分析。由于热运运动(譬如温度升高)(譬如温度升高),越来越多越来越多载流子克服禁流子克服禁带宽度(或度(或电离能)离能)引起引起导电,这种种热跃迁使半迁使半导体体载流子流子浓度和迁移率度和迁移率发生生变化化,根根据据电阻率公式可知元件阻率公式可知元件电
11、阻阻值发生生变化。化。在温度在温度传感器中感器中应用最多的有用最多的有热电偶偶、热电阻阻(如(如铂、铜电阻阻温度温度计等)和等)和热敏敏电阻阻。热敏敏电阻阻发展最展最为迅速,由于其性能得迅速,由于其性能得到不断改到不断改进,稳定性已大定性已大为提高,在提高,在许多多场合下(合下(-40-40350350)热敏敏电阻已逐阻已逐渐取代取代传统的温度的温度传感器。感器。第8章 半导体传感器 (1)(1)灵敏度高灵敏度高,有正、有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻温度系数和在某一特定温度区域内阻值突突变的三种的三种热敏敏电阻元件。其阻元件。其电阻温度系数要比金属大阻温度系数要比金属大1010100
12、100倍以倍以上上,能能检测出出1010-6-6温度温度变化。化。(2)(2)小小型型,材材料料加加工工容容易易、性性能能好好,最最小小的的珠珠状状热敏敏电阻阻可可做做到到直直径径为0.2mm,0.2mm,能能够测出出一一般般温温度度计无无法法测量量的的空空隙隙、腔腔体体、内内孔孔、生物体血管等生物体血管等处的温度。的温度。(3)(3)使使用用方方便便,电阻阻值可可在在100k100k之之间任任意意选择。使使用用时,一一般般可可不不必必考考虑线路路引引线电阻阻的的影影响响;由由于于其其功功耗耗小小、故故不不需需采采取取冷冷端温度端温度补偿,所以适合于,所以适合于远距离距离测温和控温使用。温和控
13、温使用。(一)半(一)半导体体热敏敏电阻主要特点阻主要特点第8章 半导体传感器(4)稳定性好。定性好。商品化商品化产品已有品已有3030多年多年历史,加之近年史,加之近年在材料与工在材料与工艺上不断得到改上不断得到改进。据。据报道,在道,在0.010.01的的小温度范小温度范围内,其内,其稳定性可达定性可达0.00020.0002的精度。相比的精度。相比之下,之下,优于其它各种温度于其它各种温度传感器。感器。(5)原料原料资源丰富,价格低廉。源丰富,价格低廉。烧结表面均已表面均已经玻璃封玻璃封装。故可用于装。故可用于较恶劣劣环境条件;另外由于境条件;另外由于热敏敏电阻材阻材料的迁移率很小,故其
14、性能受磁料的迁移率很小,故其性能受磁场影响很小,影响很小,这是十是十分可分可贵的特点。的特点。第8章 半导体传感器热敏敏电阻阻的的种种类很很多多,分分类方方法法也也不不相相同同。按按热敏敏电阻阻的的阻阻值与与温温度度关关系系这一重要特性可分一重要特性可分为:1 1正温度系数正温度系数热敏敏电阻器(阻器(PTCPTC)电阻阻值随温度升高而增大的随温度升高而增大的电阻阻器,器,简称称PTCPTC热敏阻器敏阻器。它的主要材。它的主要材料是是由在料是是由在BaTiO3BaTiO3和和SrTiO3SrTiO3为主的成主的成分中加入少量分中加入少量Y2O3Y2O3和和Mn2O3Mn2O3构成的构成的烧结体
15、。其特性曲体。其特性曲线是随温度升高而阻是随温度升高而阻值增大增大,其色其色标标记为红色色。开关型。开关型正温度系数正温度系数热敏敏电阻在居里点附近阻阻在居里点附近阻值发生突生突变,有有斜率最大斜率最大的区段的区段,通通过成分配比和添加成分配比和添加剂的改的改变,可使其斜可使其斜率最大的区段率最大的区段处在不同的温度范在不同的温度范围里里,例如加入适量例如加入适量铅其居里温度升高其居里温度升高;若若将将铅换成成锶,其居里温度下降。其居里温度下降。(二)(二)热敏敏电阻的分阻的分类 图8.1 8.1 半半导体体热敏敏电阻的温度特性阻的温度特性第8章 半导体传感器2 2负温度系数温度系数热敏敏电阻
16、器阻器(NTCNTC)电阻阻值随温度升高而下降的随温度升高而下降的热敏敏电阻器,阻器,简称称NTCNTC热敏敏电阻器。阻器。它的材料主要由它的材料主要由MnMn、CoCo、NiNi、FeFe等金属的氧化物等金属的氧化物烧结而成而成,通通过不不同材同材质组合合,能得到不同的能得到不同的电阻阻值R0R0及不同的温度特性。及不同的温度特性。负温度系数(温度系数(NTCNTC)型半)型半导体体热敏敏电阻研究最早阻研究最早,生生产最成熟最成熟,是是应用最广泛的用最广泛的热敏敏电阻之一阻之一,特特别适合于适合于-100-100300C300C之之间的的温度温度测量量,其色其色标标记为绿色色。图8.1 8.
17、1 半半导体体热敏敏电阻的温度特性阻的温度特性第8章 半导体传感器3 3突突变型型负温度系数温度系数热敏敏电阻器阻器(CTRCTR)如果用如果用V V、GeGe、W W、P P等的氧化等的氧化物在弱物在弱还原气氛中形成半玻璃状原气氛中形成半玻璃状烧结体体,还可以制成可以制成临界型界型(CTRCTR)热敏敏电阻阻,它是它是负温度系温度系数型数型,在某特定温度范在某特定温度范围内随温度内随温度升高而急升高而急剧下降下降,最高可降低,最高可降低3 34 4个数量个数量级,即具有很大,即具有很大负温度系温度系数数。即在某个温度范。即在某个温度范围里阻里阻值,曲曲线斜率在此区段特斜率在此区段特别陡峭陡峭
18、,灵敏度灵敏度极高极高,其色其色标标记为白色白色。此特性。此特性可用于可用于自自动控温和控温和报警警电路路中。中。图8.1 8.1 半半导体体热敏敏电阻的温度特性阻的温度特性第8章 半导体传感器热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、
19、Na、K氧化 物、(As2Se3)0.8、(Sb2SeI)0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系第8章 半导体传感器热敏电阻材料的分类(热敏电阻材料的分类(2)PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物(Ba、Sr、Pb)TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTRV、Ti氧化物系、Ag2S、(AgCu)、(ZnCdHg)BaTiO3单晶V、P、(BaSr)氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子第8章 半导体传感器 标称阻称阻值R RH H
20、在在环境境温温度度为()()时测得得的的阻阻值,也也称称冷冷电阻阻,单位位为。电阻温度系数阻温度系数t t 热敏敏电阻阻的的温温度度每每变化化11时,阻阻值的的相相对变化化率率,单位位为%/%/。如不作特。如不作特别说明明,是指是指2020时的温度系数。的温度系数。(8.1)(8.1)式中式中,R,R为温度温度为T(K)T(K)时的阻的阻值。(三)热敏电阻的主要参数(三)热敏电阻的主要参数第8章 半导体传感器材料常数材料常数B B 是表征是表征负温度系数温度系数(NTC)(NTC)热敏敏电阻器材料的物理特性常数。阻器材料的物理特性常数。B B值决定决定于材料的激活能于材料的激活能E E,具有具
21、有B=B=E E2k2k的函数关系,式中的函数关系,式中k k为波波尔兹曼常数。曼常数。一般一般B B值越大越大,则电阻阻值越大,越大,绝对灵敏度越高灵敏度越高。在工作温度范。在工作温度范围内,内,B B值并不是一个常数,而是随温度的升高略有增加的。并不是一个常数,而是随温度的升高略有增加的。如如果果被被测温温度度比比较低低,而而且且不不需需要要很很高高的的精精度度时,一一般般把把B B看看成成一一个个常常数数,求出温度或求出温度或热敏敏电阻的阻阻的阻值。图8.2 B8.2 B常数的温度特性常数的温度特性T/C第8章 半导体传感器散散热系数系数H H 它它是是指指热敏敏电阻阻自自身身发热使使其
22、其温温度度比比环境境温温度度高高出出11所所需需的的功功率率,单位位为W/W/或或mW/mW/。在在工工作作范范围内内,当当环境境温温度度变化化时,H H值随随之之变化化,它它取取决决于于热敏敏电阻阻的的形形状状、封封装装形式以及周形式以及周围介介质的种的种类。第8章 半导体传感器时间常数常数 它它是是指指热敏敏电阻阻从从温温度度为T T0 0的的介介质中中突突然然移移入入温温度度为T T的的介介 质 中中(环 境境 温温 度度 阶 跃 变 化化),热 敏敏 电 阻阻 的的 温温 度度 升升 高高T=0.63(T-TT=0.63(T-T0 0)所所需需的的时间,单位位为s s。它它表表征征热敏
23、敏电阻阻加加热或或冷冷却却的的速速度度。一一般般在在1-501-50秒秒之之间.它它与与热容容量量C C和和耗耗散散系系数数H H之之间的关系的关系最高工作温度最高工作温度T Tm m 它它是是指指热敏敏电阻阻长期期连续工工作作所所允允许的的最最高高温温度度,在在该温温度下度下,热敏敏电阻性能参数的阻性能参数的变化化应符合技符合技术条件的条件的规定。定。T T0 0环境温度;境温度;P PE E环境温度境温度为T T0 0时的的额定功率;定功率;HH散散热系数系数第8章 半导体传感器(四)(四)热敏敏电阻器主要特性阻器主要特性1.1.热敏敏电阻器的阻器的电阻阻温度特性(温度特性(R RT TT
24、 T)1234铂丝40601201600100101102103104105RT/温度T/CTTTT与与RTTRTT特性曲特性曲线一致。一致。热敏敏电阻的阻的电阻阻-温度特性曲温度特性曲线1-NTC1-NTC;2-CTR2-CTR;3-4 PTC 3-4 PTC第8章 半导体传感器R RT T、R RT0T0温度温度为T T、T T0 0时热敏敏电阻器的阻器的电阻阻值 B B NTC NTC热敏敏电阻的材料常数。阻的材料常数。对上式微分后上式微分后,再除以再除以R RT T,可得可得NTCNTC的温度系数的温度系数负电负电阻温度系数阻温度系数(NTC)(NTC)热热敏敏电电阻器的温度特性阻器的
25、温度特性NTCNTC的的电阻阻温度关系的一般数学表达式温度关系的一般数学表达式为:可可见,温度系数是温度的非温度系数是温度的非线性函数性函数。随温度减小而增大。随温度减小而增大,所以所以低温低温时热敏敏电阻温度系数大阻温度系数大,所以所以灵敏度高灵敏度高,故故热敏敏电阻常用于低温(阻常用于低温(-100-100300C300C)测量。由量。由测试结果表明,不管是由氧化物材料,果表明,不管是由氧化物材料,还是由是由单晶体材料制成的晶体材料制成的NTCNTC热敏敏电阻器,在不阻器,在不太太宽的温度范的温度范围(小于(小于450450),),都能利用都能利用该式式,它,它仅是一个是一个经验公式。公式
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