第8章-1--半导体温度传感器优秀PPT.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 痰纷扼课赋胆荡巢癣绑尧暖巡击蓑溢邦方邀狙布怖畅栽权戒殖扳胜忘峭下第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器温度传感器的种类 温度传感器依据用途可分为基准温度计和工温度传感器依据用途可分为基准温度计和工业温度计；依据测量方法又可分为接触式和非接业温度计；依据测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热触式；按工作原理又可分为

2、膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。非电测型等。脚簿标掘上兄值茶诲假暖项型伸蛊肇你扳必酿吞餐克退贮笋恫斜欠恼翟筛第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器1 1常常用用热热电电阻阻 范范围围：-260-260850850；精精度度：0.0010.001。改改进进后后可可连连续续工工作作2000h2000h，失效率小于，失效率小于1 1，运用期为，运用期为1010年。年。2 2管缆热电阻管缆热电阻 测温范围为测温范围为-20-20500500，最高上限为，最高上限为10001000，精度为

3、，精度为0.50.5级。级。接触式温度传感器3 3陶瓷热电阻陶瓷热电阻 测量范围为测量范围为200200+500+500，精度为，精度为0.30.3、0.150.15级。级。4 4超超低低温温热热电电阻阻两两种种碳碳电电阻阻，可可分分别别测测量量268.8268.8253-272.9253-272.9272.99272.99的温度。的温度。5 5热热敏敏电电阻阻器器 适适于于在在高高灵灵敏敏度度的的微微小小温温度度测测量量场场合合运运用用。经经济济性性好好、价价格格便宜。便宜。接触式温度传感器的特点：传感器干脆与被测物体接触接触式温度传感器的特点：传感器干脆与被测物体接触进行温度测量，由于被测

4、物体的热量传递给传感器，降低了进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特殊是被测物体热容量较小时，测量精度较被测物体温度，特殊是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此接受这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是低。因此接受这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。被测物体的热容量要足够大。频补改外柑缨晨谅筒压抬谰语措阐瘫杨园疚关过摄肩澈习喧堂畔翔灸葫煞第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器l l辐辐射射高高温温计计 用用来来测测量量 10001000以以上上高高温温。分分四四种种：光光学学高高温温计计、比比色色高

5、高温计、辐射高温计和光电高温计。温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计 前前苏苏联联研研制制的的YCIIYCII型型自自动动测测温温通通用用光光谱谱高高温温计计,其其测测量量范范围围为为4004006000,6000,它它是是接接受受电电子子化化自自动动跟跟踪踪系系统统,保保证证有有足足够够精精确确的的精精度度进进行行自自动测量。动测量。非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器 特特点点是是响响应应快快(约约为为10ms10ms左左右右)，方方向向性性强强。目目前前国国外外有可测到有可测到5000 5000 的产品。的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器

6、适适用用于于远远程程和和特特殊殊环环境境下下的的温温度度测测量量。如如NBSNBS公公司司用用氦氦氖氖激激光光源源的的激激光光做做光光反反射射计计可可测测很很高高的的温温度度，精精度度为为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计，最最高高温温度度可可达达80008000，特特地地用用于于核核聚聚变变探探讨讨。瑞瑞士士Browa BorerBrowa Borer探讨中心用激光温度传感器可测几千开探讨中心用激光温度传感器可测几千开(K)(K)的高温。的高温。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红

7、外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸取热量；不会干扰被测精度却较低。优点是：不从被测物体上吸取热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。吴构阑赘指板楞篆惋遵剁峦磺沮答季酒众念蜒氛资卷博蔚墒珍场硅住阅氮第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第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 接触型半导体传感器接触型半导体传感器热电阻传感器有两大类：热电阻传感器有两大类：、

8、金属热电阻、金属热电阻俗称热电阻（热电阻传感器）；俗称热电阻（热电阻传感器）；、半导体热电阻、半导体热电阻俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）基于热电阻效应：电阻率随温度变更发生变更的现象基于热电阻效应：电阻率随温度变更发生变更的现象电阻与温度的关系电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变更的关系可由下式表示大多数金属导体的电阻随温度而变更的关系可由下式表示 Rt=R01+Rt=R01+（t-t0t-t0）祝森发善禁华帛予堆撂肄到鸳教腮避精谱奸惧涅靠誊日琼丽膨丝恿脯吮掀第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器1.热电阻传感器热电阻传感器

9、对热电阻材料的要求对热电阻材料的要求：电阻温度系数电阻温度系数要尽可能大，且稳定；要尽可能大，且稳定；电阻率电阻率要高；要高；比热小，亦即热惯性小；比热小，亦即热惯性小；电阻值随温度变更关系最好是线性关系；电阻值随温度变更关系最好是线性关系；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。浙荆文慎姿唾牺赐交氧阁据贱胯扬褥吏泡隶脚卿滤滋狗尚受鸥鹰藉天最伯第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体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

10、电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛运用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。1 1、铂热电阻铂热电阻：型号为：型号为WZBWZB，分度号为分度号为BABA1 R1 R0 04646和和BABA2 R2 R0 0100 100。2 2、铜热电阻铜热电阻：型号为：型号为WZGWZG，分度号为，分度号为G G ，R R0 03333 R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2CtCt3 3 其优点：其优点：输出输入特性近似线性；输出输入特性近似线性；工艺性好，价格便宜。工艺性好，价格便宜。其缺点：其缺点：电阻率小，仅为铂的电阻率小，仅为铂的1 16 6，故体积大，热惯性大。，故体积大，热惯性大。当

11、温度高于当温度高于1000C1000C时，易氧化、测量范围小，不适于在时，易氧化、测量范围小，不适于在 腐蚀性介质或高温下工作。腐蚀性介质或高温下工作。3 3、镍热电阻镍热电阻在在-50-502000C2000C范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2 4 4、其他热电阻其他热电阻铟热电阻铟热电阻锰热电阻锰热电阻 碳热电阻碳热电阻 铁热电阻、镍热电阻铁热电阻、镍热电阻 常用热电阻常用热电阻 藏熏截目禁译槐肛音墒烈著睫拦娘装阑绷葡澄鹃年巡赏鸦郴市盅甚厢饭醒第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章

12、半导体传感器习题习题1Pt100Pt100和和Cu50Cu50各代表什么传感器？各代表什么传感器？分别代表铂电阻热电式传感器（分别代表铂电阻热电式传感器（0 0度时电阻值为度时电阻值为100100），铜电阻热电式传感器），铜电阻热电式传感器(0(0摄氏度时电阻值为摄氏度时电阻值为50).50).走峻雕澳邪尺氨钞谤练外镊佳锑唐吉帧挟修禁恒孟良奶休史阎位匪僳道势第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第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电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变更而变更的性质制成的。工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度上升）,越来越多载

13、流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变更,依据电阻率公式可知元件电阻值发生变更。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为快速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在很多场合下（-40350）热敏电阻已渐渐取代传统的温度传感器。尹恕均矫忍证涪芒肮咬艇浩挂置帚绪报伤切丑冀擅清舶诌若觅孰碳勿做旷第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 (1)(1)灵敏度高灵敏度高,有正、负温度系数和在某一特定温度区有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。其电阻温度

14、系数域内阻值突变的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大要比金属大1010100100倍以上倍以上,能检测出能检测出10-610-6温度变更。温度变更。(2)(2)小型小型,材料加工简洁、性能好，最小的珠状热敏电材料加工简洁、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到直径为阻可做到直径为0.2mm,0.2mm,能够测出一般温度计无法测量能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。(3)(3)运用便利运用便利,电阻值可在电阻值可在0.10.1100k100k之间随意选择。之间随意选择。运用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于运用时

15、，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需实行冷端温度补偿，所以适合于远其功耗小、故不需实行冷端温度补偿，所以适合于远距离测温顺控温运用。距离测温顺控温运用。（一）半导体热敏电阻主要特点（一）半导体热敏电阻主要特点喻夫挛奔帐嘉瘤暑汰戳尔函滋间接裤式僻慌席履拴涨热掺瞅武昨胜饮督智第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器(4)稳定性好。商品化产品已有稳定性好。商品化产品已有30多年历史，加之近年多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小的小温度范围内，其稳定性可达温度范围内，其稳定性可达0.0

16、002的精度。相比之下，的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。优于其它各种温度传感器。(5)原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经玻璃封原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是特别珍的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是特别珍贵的特点。贵的特点。丧篆郡老饵紊刘醒玛谰厨潦鲤徒畏勇枣淘枉削宫绦腋眷梅砍浓秀仍陀猾枉第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要

17、特性可分为：1正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度上升而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度上升而阻值增大,其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻在居里点旁边阻值发生突变,有斜率最大的区段,通过成安排比和添加剂的变更,可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里,例如加入适量铅其居里温度上升;若将铅换成锶,其居里温度下降。（二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 图图8.1 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电阻的温度特性撑拟饭显拔阐根前鸣醒毅蓄铡詹犯森快撂瓦啥嘛乏

18、梆倪种甭坏裁轻伟假捐第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器2 2负温度系数热敏电阻器负温度系数热敏电阻器（NTCNTC）电阻值随温度上升而下降的热电阻值随温度上升而下降的热敏电阻器，简称敏电阻器，简称NTCNTC热敏电阻器。热敏电阻器。它的材料主要由它的材料主要由MnMn、CoCo、NiNi、FeFe等金属的氧化物烧结而成等金属的氧化物烧结而成,通过不通过不同材质组合同材质组合,能得到不同的电阻值能得到不同的电阻值R0R0及不同的温度特性。及不同的温度特性。负温度系数（负温度系数（NTCNTC）型半导体）型半导体热敏电阻探讨最早热敏电阻探讨最早,生产最成熟生产最成

19、熟,是应用最广泛的热敏电阻之一是应用最广泛的热敏电阻之一,特殊适合于特殊适合于-100-100300C300C之间的之间的温度测量温度测量,其色标标记为绿色。其色标标记为绿色。图图8.1 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电阻的温度特性银乔沫令假玻溺些幕岗泛寻庭婴犹责律辅邯额档扁钉翌余胜胯谱成侍号振第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）假如用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体,还可以制成临界型（CTR）热敏电阻,它是负温度系数型,在某特定温度范围内随温度上升而急剧下降，最高可降低34个数量级，即

20、具有很大负温度系数。即在某个温度范围里阻值,曲线斜率在此区段特殊陡峭,灵敏度极高,其色标标记为白色。此特性可用于自动控温顺报警电路中。图图8.1 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电阻的温度特性说屁佩亚蹬曼巩扳乏兜向落臆钻玲晴怀傍瞄化迅轧回晋傈撼广差物个汀兹第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第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

21、、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、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系秀摔胆溉巍坑滞阑唬浪滥淖挡遁泼里禾纷越辛物恋窖壹励射且吧藩扎灾移第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第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

22、、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怯合伙奎抚俗纸观紧管外圭骆快莉敛祝入姑自泡糜焉敏一桑蕉述家痹磷坡第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 标称阻值标称阻值RHRH 在在环环境境温温度度为为(250.2)(250.2)时时测测得得的的阻阻值值,也也称称冷冷电电阻阻,单单位位为为。电阻温度系数电阻温度系数tt 热热敏敏电电阻阻的的温温度度每每变变更更11时时,阻阻值值的的相相对对变变更更率率,单单位位

23、为为%/%/。如不作特殊说明如不作特殊说明,是指是指2020时的温度系数。时的温度系数。(8.1)(8.1)式中式中,R,R为温度为为温度为T(K)T(K)时的阻值。时的阻值。（三）热敏电阻的主要参数（三）热敏电阻的主要参数者望墙僚躲嘱喉腔麻译努次栏厅欧笨怠骏愚旨劲晤躁钵往树肌翼乒评忍痒第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器材料常数材料常数B B 是是表表征征负负温温度度系系数数(NTC)(NTC)热热敏敏电电阻阻器器材材料料的的物物理理特特性性常常数数。B B值值确确定定于于材材料料的的激激活活能能E E，具具有有B=B=E E2k2k的的函函数数关关系系，式式

24、中中k k为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数。一一般般B B值值越越大大，则则电电阻阻值值越越大大，确确定定灵灵敏敏度度越越高高。在在工工作作温温度度范范围围内内，B B值并不是一个常数，而是随温度的上升略有增加的。值并不是一个常数，而是随温度的上升略有增加的。假假如如被被测测温温度度比比较较低低,而而且且不不须须要要很很高高的的精精度度时时,一一般般把把B B看看成成一一个个常常数数,求出温度或热敏电阻的阻值。求出温度或热敏电阻的阻值。图图8.2 B8.2 B常数的温度特性常数的温度特性T/C售喂猎快凶酪净欺奋官偏爱抵泌篡琐娥都办纱膨村抢潞锁饵垢秸溶瘩标吮第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度

25、传感器第8章 半导体传感器散热系数散热系数H H 它它是是指指热热敏敏电电阻阻自自身身发发热热使使其其温温度度比比环环境境温温度度高高出出11所所需需的的功功率率,单单位位为为W/W/或或mW/mW/。在在工工作作范范围围内内，当当环环境境温温度度变变更更时时，H H值值随随之之变变更更，它它取取决决于于热热敏敏电电阻阻的的形形态态、封封装装形式以及四周介质的种类。形式以及四周介质的种类。丑烃董们脾梧揽锈崔订即财文爆短矫诱件卒礼产阂双忽蚕邹周臭芽鸽疵韩第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器时间常数时间常数 它是指热敏电阻从温度为它是指热敏电阻从温度为T0T0的介质

26、中突然移入温度为的介质中突然移入温度为T T的的介质中（环境温度阶跃变更）介质中（环境温度阶跃变更）,热敏电阻的温度上升热敏电阻的温度上升T=0.63(T-T0)T=0.63(T-T0)所需的时间所需的时间,单位为单位为s s。它表征热敏电阻加热或。它表征热敏电阻加热或冷却的速度。一般在冷却的速度。一般在1-501-50秒之间秒之间.它与热容量它与热容量C C和耗散系数和耗散系数H H之之间的关系间的关系最高工作温度最高工作温度TmTm 它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度,在该温在该温度下度下,热敏电阻性能参数的变更应符合技术条件的规定。热敏电

27、阻性能参数的变更应符合技术条件的规定。T T0 0环境温度；环境温度；P PE E环境温度为环境温度为T T0 0时的额定功率；时的额定功率；HH散热系数散热系数友狙祷饶祝层缀旗炊毡落树秘伺岁堕儿学柱灯缄执奋瓶簿晚乙滩咽坝鹊说第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器（四）热敏电阻器主要特性（四）热敏电阻器主要特性1.1.热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性（R RT TT T）1234铂丝40601201600100101102103104105RT/温度T/CTTTT与与RTTRTT特性曲线一样。特性曲线一样。热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲

28、线温度特性曲线1-NTC1-NTC；2-CTR2-CTR；3-4 PTC 3-4 PTC裳萨怂钧虞畅枫寓盒宅骨宴句缅际蝶钞跃性盖赃碘嫡藤龋基伤吹黍汽洲墒第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器R RT T、R RT0T0温度为温度为T T、T T0 0时热敏电阻器的电阻值时热敏电阻器的电阻值 B B NTC NTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。对上式微分后对上式微分后,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阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特性热敏电阻器的温度特性NTCNTC的电阻的电阻温度关系的一

29、般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：可见可见,温度系数是温度的非线性函数。随温度减小而增大温度系数是温度的非线性函数。随温度减小而增大,所以低温时热敏电阻温度系数大所以低温时热敏电阻温度系数大,所以灵敏度高所以灵敏度高,故热敏电阻常故热敏电阻常用于低温（用于低温（-100-100300C300C）测量。由测试结果表明，不管是由）测量。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTCNTC热敏电阻器，在不热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于太宽的温度范围（小于450450），都能利用该式，它仅是一个），都能利用该式，它仅是一个阅历公式。阅

30、历公式。默哎汹枫家钢划软棒唇冻杰贬甥锥赂搬罚呸晓炎色乖昭虹支帕痪吓矮址抬第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 材材料料的的不不同同或或配配方方的的比比例例和和方方法法不不同同，则则B B也也不不同同。用用lnRTlnRT1/T1/T表表示示负负电电阻阻温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻温温度度特特性性，在在实实际际应应用用中中比比较便利。较便利。1051041031020-101030507085100120T/C(1/T)电阻电阻/(lnR(lnRT T)NTCNTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻-温度曲线温度曲线假如以假如以lnRTlnRT、1/T1/T分别

31、作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为B B，通过点，通过点(1/T(1/T，lnRT0)lnRT0)的一条直线，如图。的一条直线，如图。阐曝种郝超伦拼牢苇烁黄袜莉汞舍必抑惫卓漆觅制毅巫籽撅盘相贵藩将糖第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器2.2.正电阻温度系数（正电阻温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的电阻）热敏电阻器的电阻温度特性温度特性其其特特性性是是利利用用正正温温度度热热敏敏材材料料，在在居居里里点点旁旁边边结结构构发发生生相相变变引引起起导导电电率率突突变来取得的，典型特性曲线如图变来取得的，典型特性曲线如图1

32、0000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTCPTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度曲线温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175C PTC PTC热敏电阻的工作温热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，度范围较窄，在工作区两端，电阻电阻温度曲线上有两个拐温度曲线上有两个拐点：点：Tp1Tp1和和Tp2Tp2。当温度低于。当温度低于Tp1Tp1时，温度灵敏度低；当时，温度灵敏度低；当温度上升到温度上升到Tp1Tp1后，电阻值后，电阻值随温度值猛烈增高（按指数随温度值猛烈增高（按指数规律快速增大）；当温度升规律快速增大）；当温

33、度升到到Tp2Tp2时，正温度系数热敏时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存电阻器在工作温度范围内存在温度在温度TcTc，对应有较大的温，对应有较大的温度系数度系数tp tp。势像绊塘咕泵找剔传边逻栏萌哆袍袜水壹寂庸陷凛卿战日漱截伞籽控胜汹第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 经试验证明：在工作温度范围内，正温度系数热敏电经试验证明：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻阻器的电阻温度特性可近似用下面的试验公式表示：温度特性可近似用下面的试验公式表示：式中式中 RT RT、RT0RT0温度分别为温度分别为T T、T0T0时的电阻值；时的电阻值；BP B

34、P正温度系数热敏电阻器的材料常数。正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：若对上式取对数，则得：坡熟是藉鸽宇搁淑抿秉宙惊民奸敖孺扬卜箔傻郭嫌填系榆措钻深爸柬持迢第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器）可见可见正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tptp ，正好等于它的材料常数，正好等于它的材料常数B BP P的值。的值。lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnlnR RT T-T T 表示的表示的PTCPTC热敏电阻器电阻热敏电阻器电阻温度曲线温度曲线lnRrT若对上式微分，可得若对

35、上式微分，可得PTCPTC热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数tptp以以lnlnR RT T、T T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。翻茁饲寺癸危猪窟博幽疙廷犯瓜秧催蛤咀仪奈甄瓢槽也奋汀肆堂窥肥反娜第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTCNTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（UIUI）热热敏敏电电阻阻器器伏伏安安特特性性表表示示加加在在其其两两端端的的电电压压和和通通过过的的电电流流，在在热热敏敏电电阻阻器器

36、和和四四周周介介质质热热平平衡衡（即即加加在在元元件件上的电功率和耗散功率相等）时的相互关系。上的电功率和耗散功率相等）时的相互关系。1.1.负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性该该曲曲线线是是在在环环境境温温度度为为T T0 0时时的的静静态态介介质质中中测测出出的静态的静态U UI I曲线。曲线。热热敏敏电电阻阻的的端端电电压压U UT T和和通通过过它它的的电电流流I I有有如如下下关系：关系：泰些蚂修破了鹤照骏汲搏最二孵辅煎巩笼虚湍些良痈挫败箔永劫带蕴洒料第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器oa段：为线性段，表

37、示在低电流下,热敏电阻呈线性电阻性质，电压降和电流成正比。这一区域适合温度测量，a点是没有自热时的最大电流值。ab段：随电流增加,电压上升变缓,曲线呈非线性,这一工作区是非线性正阻区。bc段：当电流超过确定值以后,曲线向下弯曲出现负阻特性,称为负阻区。表示有较大自热时，电流引起热敏电阻自身发热升温，阻值减小，电阻的压降随电流的增加而减小。尤其是阻值大的热敏电阻。b点处自热增量为零，自热温度等于环境温度。d点：是空气中最大平安电流工作点。电流过大，超过电阻的允许功率。abcdUmU0I0ImU/VI/mANTCNTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性炽宫蝶哇践君梳昨优迂氨氧橡音压熙戍凡

38、褒圣由喧置丈帧贫憋瞒依蓟绸夕第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 曲线见下图，它与曲线见下图，它与NTCNTC热敏电阻器一样，曲线的起热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽视不计的原因。当热敏电阻器温度超过起的温升可以忽视不计的原因。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线起先弯曲。环境温度时，引起电阻值增大，曲线起先弯曲。102103104105101Um10

39、110210310010-1ImPTCPTC热敏电阻器的静态伏安特性热敏电阻器的静态伏安特性2 2正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压接着增加，由于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。锻藉秒遇甜特爵丈允诊擞翼潞坚逝郑舒衔背瞻催牟掉琵眶巨争寇刃旱么嚎第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器（三）热敏电阻器的安时特性（三）热敏电阻器的安时特性（UIUI）流流过过热热敏敏电电阻阻的的电电流流与与时时间间的的关关系系,称称为为安安时时特特性性,

40、如如图图8.48.4所所示示。它它表表示示热热敏敏电电阻阻在在不不同同电电压压下下,电电流流达达到到稳稳定定最最大大值值所所须须要要的的时间。对于一般结构的热敏电阻时间。对于一般结构的热敏电阻,其值均在其值均在0.5-1s0.5-1s之间。之间。图图8.4 8.4 热敏电阻的安时特性热敏电阻的安时特性 一钮廖寻骋裔吞婉奥寄绷暂罐褂召溪寸仅逞邑秘炭剩聊摊姆越芬觉须航瓜第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器 目前半导体热敏电阻还存在确定缺陷,主要是互换性和稳定性还不够志向,虽然近几年有明显改善,但仍比不上金属热电阻,其次是它的非线性严峻,且不能在高温下运用,因而限制了

41、其应用领域。（四）热敏电阻器主要缺点（四）热敏电阻器主要缺点顽渠殿涡缅邮韶执格虚痴胳祈挪栓讲镜趋潦刽竣伪犁雨遮瞧锰辣抨辆蛔星第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器热敏电阻测温的基本电路热敏电阻测温的基本电路 为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号,须要考虑它的直线性须要考虑它的直线性和自身加热问题。图和自身加热问题。图8.58.5表示热敏电阻的基本联接电路。对于负温度系数的表示热敏电阻的基本联接电路。对于负温度系数的热敏电阻热敏电阻(NTC(NTC型型)当温度上升时当温度上升时,热敏电阻的阻值变小热敏电阻的阻值变小,输

42、出电压输出电压UoutUout上升。上升。在在0 0100C100C温度范围内有如下关系温度范围内有如下关系:(8.7)(8.7)（五）（五）热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 图图8.58.5热敏电阻的基本连接法热敏电阻的基本连接法从公式从公式(8.3)(8.3)可知可知,温度和热敏电阻的阻温度和热敏电阻的阻值之间有非线性特性。值之间有非线性特性。夸城抓侮萨咖息宽早憨螟挑腥具傍软噶厢饰象鸯嫌沉恳扣坑间运按戎霜芜第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器为了在较宽的范围内实现线性化,可接受模拟电路参数设定法:把热敏电阻传感器接入图8.8所示电路中的RT位置上,则电路

43、输出电压为将（将（8.38.3）式代入上式得）式代入上式得图图8.8 8.8 测量电路原理图测量电路原理图街宜广妒帜光蛋兴别耗纽梦晾怂拥告爆秆螟会满蛆玫拣刊棚哑春才棒便奇第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器联立以上各式及（联立以上各式及（8.38.3）式）式(（改写为（改写为 可见，温度与输出电压之间是非线性的，可用对数电路和除法器串联电路实可见，温度与输出电压之间是非线性的，可用对数电路和除法器串联电路实现线性化输出，如图现线性化输出，如图8.98.9所示。图中各点电压之间的关系：所示。图中各点电压之间的关系：解得解得图图8.9 8.9 线性化电路线性化电路沸

44、盛旨肢咆载谜暗帮插嗣咱傍联郧疏匡吸沤营啡桓靡闲快页曙岔钎埃因腑第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器在设计电路参数时在设计电路参数时,若选择若选择可使上式分母中前三项的代数和等于零可使上式分母中前三项的代数和等于零,则有则有即得到了输出电压即得到了输出电压U Uo o与被测温度与被测温度T T成线性的关系式。成线性的关系式。图图8.9 8.9 线性化电路线性化电路债份校虽怔藕厕低而太潘凑嚣肯获箍腐悸江搪疮恒魂网杂吟旦韧避荫杀扩第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器利用两个热敏电阻利用两个热敏电阻,求出其温度差的电路求出其温度差的电路

45、在温度测量中在温度测量中,测量温度的确定值一般能测量到测量温度的确定值一般能测量到0.1C0.1C左右的精度左右的精度,要测到要测到0.01C0.01C的高精度是很困难的。但是的高精度是很困难的。但是,假如在具有两个热敏电阻假如在具有两个热敏电阻的桥式电路中的桥式电路中,在同一温度下在同一温度下,调整电桥平衡调整电桥平衡,当两个热敏电阻所处环境当两个热敏电阻所处环境温度不同温度不同,测量温度差时测量温度差时,精度可以大大提高。精度可以大大提高。图图8.108.10示出这种求温度差的电路图。图（示出这种求温度差的电路图。图（a a）电路的测温范围较小）电路的测温范围较小,而且两个热敏电阻的而且两

46、个热敏电阻的B B常数应当一样常数应当一样,但灵敏度高但灵敏度高;图（图（b b）电路的测温）电路的测温范围较大范围较大,而且对而且对B B常数一样性的要求也不严格常数一样性的要求也不严格,因为它们可以用因为它们可以用RsRs来适来适当调整。当调整。图图8.10 8.10 求温度差的桥式电路求温度差的桥式电路 檀谗疥耽该酌盖骸杆晴拙番起尖吼贴桶专添黔礼岁吹痕抉食青衬冰拘律湍第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器利用半导体二极管、晶体管、可控硅等的伏安特性与温度的关系可做出温敏器件。它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。此外,线性较好且价格低廉,在不少仪表里用来

47、进行温度补偿。特殊适合对电子仪器或家用电器的过酷爱护,也常用于简洁的温度显示和限制。不过由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,只能用来测量150C以下的温度。PN结温度传感器的种类种类：温敏二极管；温敏三极管温控晶闸管。分立元件型PN结温度传感器也存在互换性和稳定性不够志向的缺点，集成化PN结温度传感器则把感温部分、放大部分和补偿部分封装在同一管壳里，性能比较一样而且运用便利。2.PN2.PN结型热敏器件结型热敏器件胜胜辣慌宜江善袄柒饺费睛槽碴漏庶纯郸贫覆坪江禁蛙预臻纯翻速祖葱砧第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器原理：恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系原理

48、：恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系依依据据半半导导体体器器件件原原理理,流流经经晶晶体体二二极极管管PNPN结结的的正正向向电电流流IDID与与PNPN结上的正向压降结上的正向压降UDUD有如下关系有如下关系（8.108.10）1)1)晶体二极管晶体二极管PNPN结热敏器件结热敏器件式中式中,q,q为电子电荷量为电子电荷量,k,k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数,T,T为确定温度为确定温度,Is,Is为反为反向饱和电流。它可写为向饱和电流。它可写为(8.11)(8.11)qU qUg0g0为半导体材料的禁带宽度为半导体材料的禁带宽度;B;B和和为两个常数为两个常数,其数值与器件其数值与器件的

49、结构和工艺有关。的结构和工艺有关。将将(8.10)(8.10)式取对数并考虑到式取对数并考虑到(8.11)(8.11)式式,得得夏熬胡瘟庐吟范酮尤胰饿译叠葵故钵阶均稚钧鹤机鹿仗殷鱼裳求亩泛旗常第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器对上式两边取导数,得到PN结正向压降对温度的变更率为从以上二式得到温度灵敏度为从以上二式得到温度灵敏度为 (8.12)(8.12)k=8.6310k=8.6310-5-5eV/KeV/K，当半导体材料选定为硅，则，当半导体材料选定为硅，则U Ugogo=1.172V=1.172V，设设U UD D=0.65V=0.65V，T=300KT=

50、300K，=3.5=3.5，则得，则得即此条件下，温度每上升即此条件下，温度每上升11，PNPN结正向电压下降结正向电压下降2mV2mV畴琴谊邓蝉敦撒俭摈疵怕另姿铃邯刻霉裔柿迁褪舒尽嘿约皋隋缅鹃绕饺跟第8章1半导体温度传感器第8章1半导体温度传感器第8章 半导体传感器硅二极管正向电压的温度特性如图8.11所示。自不待言,在40300K之间有良好的线性。当正向电流确定时,二极管的种类不同,其温度特性也不同,正向电流变更时,温度特性也随之变更。图图8.11 8.11 硅二极管正向电压的温度特性硅二极管正向电压的温度特性 温度特性温度特性拟戳陛搞剑瑟题慢革喧渔午席减筒途光惯喻乒逞监称斑架费雀宠彰启季