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1、气敏元件的加热功率与温度的关系张开文 (2012.11.16)一、加热器的设计加热器的设计实际是加热器在达到热平衡后，使整个元件的工作温度达到使用的温度要求。它包括载体及其上面的敏感体、加热器、导电电极、和引出线。当加热器施加工作的加热电压 UH时，其施加的加热功率 PH=UH*IH该功率产生的热量 Q使整个基体发热，平衡后达到一定的工作温度。在实际的工作过程中不可避免的有热量的损失。热损失包括对流、传导和辐射。辐射损失的热量最大。损失的热量散发到周围的环境中，余下的热量就使整个元件加热。当施加的电功率产生的热量在某一个温度下平衡时，整个基体的温度就不再上升，保持在一个相对稳定的温度点上。设：
2、施加的功率 PH=UH*IH，产生的功 W=PH*t t时间1）基体温升的热量 Q1 Q1=CMTC=比热(J/g.) M=质量 g T=（T-T 0）温升2） 、耗散的热量 Q2 Q2=S（T-T 0）=散热系数 W/cm 2. S=表面积 cm 2T=基体温度 T 0=环境温度 3） 、当施加的电压产生的热能 W与基体温升和耗散的热量达到平衡时：即 W=Q1+Q2 则 P H t =W=Q1+Q2 = CMT+S（T-T 0）微分得：PHdt= CMTdt+S（T-T 0）dt 阶微分方程得：T=T0+PH/s(1-e -s/cm.t ) 当 t T=T 0+PH/s当 t=3CM/s 时
3、（t 总是可以达到 3CM/s 的）那么：T=T0+P/s(1-e -3)=T0+0.95PH/s上式表示：基体的温度等于环境温度加上施加的加热功率除以散热系数和基体表面积的 0.95倍。当环境温度、加热功率、基体的表面积和散热系数确定后就能算出基片的温度。但是散热系数很难确定，实际要想比较准确的计算出基片的是困难的。因此基体的温度设计最简单的方法就是通过试验获得比较容易。二、悬挂式片时气敏元件的功率与基片温度 （1）元件的功率这里主要是指元件的加热功率 PH。P H的设计根据基片的尺寸大小、芯片的结构、安装的方式和元件正常工作的温度。PH=Hs+Hr+HaHs=基片的耗散 H r=芯片的辐射
4、损失 H a=热交换损失基片是悬挂式的，芯片周围是空气热阻高，为了计算方便可把 Hs看做 0即：Hs=0 ；Hr=A*5.67*10-8*10-6(T0)4-(T0)4(2a2+4da)T0=芯片温度 T 0=为外壳的平均温度 a=芯片的边长 d=厚度)A=芯片及外壳的吸收率，一般材料为 0.80.9 取 0.85中间值。Hr=0.85*5.67*10-8*10-6(T0)4-(T0)4(2a2+4da)Ha=基片的耗散，包括对流(H a1)和传导（Ha2）它与(T 0-T0)成正比，则Ha= a(T0-T0) (2a2+4da) a=空气的导热系数=2.52*10 -2（w.m.k -1）
5、=8.44Ha= 8.44*2.52*10-2(T0-T0) (2a2+4da)PH=Hs+Hr+Ha=Hr+HaPH=5.67*10-11(T0)4-(T0)4*0.85+0.21(T0-T0) (2a2+4da)PH=4.8195*10-11(T0)4-(T0)4 +0.21(T0-T0) (2a2+4da)注：这里原文可能有误，10 -8*10-6怎么变成 10-11，根据后面的示列演算我认为 10-11是正确，要不算出的结果就不符合实际的情况。T0=为外壳的平均温度(金属网罩和底座的平均温度),随芯片温度 T0=芯片温度而变化，与环境温度 Tr有关，即 T0=a T0+b Tr 通过实
6、验测定 a=1.35*10-1、b=1.0则：T 0=1.35*10-1T0+1.0Tr Tr=环境温度S= (2a2+4da) 当 a=1.5 d=0.25 则 S=6PH=4.8195*10-11(T0)4-(T0)4 +0.21(T0-T0) (2a2+4da)T0=1.35*10-1T0+1.0TrS= (2a2+4da)例：设芯片温度 T0=327=600K 环境温度 Tr=27=273+27=300K，基片 a=1.5、d=0.25则：T 0=1.35*10-1*600+1.0*300=381(T0)4-(T0)4=6004-3814=108528284079T0-T0=600-3
7、81= 219PH=（5.67*10 -11*108528284079*0.85+0.21*219）6=（5.230520651187405+45.99）*6 =51.2205*6=307.323(mw)结果：1.5*1.5*0.25 的基片，加 307.323mw的电功率，当温度平衡时元件的工作温度为 327度左右。由于实际的情况比这要复杂得多，该计算仅能作为设计的参考。1、通常元件的加热器都在元件芯片的中部，元件的中部的温度是温度的最高点，所以芯片上的敏感体应该设计在芯片的中部为好。2、为了降低功耗应尽量的减少耗散功率，如在加热体上面制作隔热和绝热层减少热损耗最大的辐射量，引出的电极选用热
8、传导低的合金丝材料，在允许的情况下引出的电极的丝径宜细不宜粗。3、元件的外壳的也应考虑热传导低的材料。三、德国普尔公司的片式元件的元件温度计算公式TH=A/2B+A2/4B2(RH0UH/IH)/RH0BTH =加热温度 U H =加热电压(V) I H =加热电流（A）RH0=铂加热器零点阻值（欧姆）A=铂加热器的温度系数，3.9083*10 3/B=5.775*107(二次系数)代入以上的数据得：TH=3.3838095238*103+1.1450166893*107(RH0UH/IH)/RH0*5.775*107该公式适用于铂加热器的元件，直接通过铂加热器的电阻测试元件的表面温度。使用起
9、来比较方便，只要测试加在元件上的电压UH、电流 IH和冷态铂加热器的阻值 RH0就能方便的测试到元件的工作温度。四、直接用微型的热电偶将微型热电偶用高温的浆料粘附在芯片上，测试正常工作状态下芯片的温度。方法也是可行的。五、管式气敏元件的表面温度管式气敏元件的表面温度也可以参照片式元件的的方法进行计算和测试。我们曾采用微型热电偶经反复测试获得加热电压与管芯的表面温度的曲线。经实际的使用和验证基本符合实际的情况。加热功率与管芯内外表面温度测试数据加热功率 mw0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000表面温度30 105 157 203 241 272 3
10、05 344 374 396 416内面温度30 108 177 232 284 334 374 413 452 494 524六、自热式气敏元件的温度测试经验公式铂丝的电阻R2=R11+(t 2-t1)t2= +t1= ( -1)+t1R0R0 10R1t1下的电阻；R 2t2下的电阻；铂丝的温度系数约=0.00380根据上面的公式计算的温度的误差较大，应根据实际的情况和经验进行修正。主要是铂丝的长度不好决定。散热的情况也很复杂。所以只考虑铂丝长度的影响。气敏加热原理图上图”l”是加热线圈露出元件芯体外面部分的长度，两端都有即 2l。线圈长度为 L。修正后的公式t2= ( -1) +t112
11、12+假设 2l=L则：t2= ( -1) +t1= ( -1) +t11212+ 4321t2= ( -1) +t14321R1在 t1状态下用欧姆表测得，R 2通过加热状态下测得其加热线圈两端的电压 UH,和流过线圈的电流 IH计算而得：R 2=说明：该测试方法不准确，仅能作为元件设计和分析问题的一个参考。该方法没有考虑元件的散热和元件自身材料的比容以及结构本身的问题。但是可以粗略的得到元件的工作温度，根据该温度可以再根据实验可以对元件设计有一定的帮助。本文所述是依据相关的一些文章和本人实际工作的情况而著，就理论依据仍感不足。但作为实际应用还是有一定的参考价值。恳请在这方面有更深研究的朋友斧正，以免谬误流传。参考文献：（1）郑州轻工业学院 2000年 4期“悬挂式气敏元件的热功耗和超低功耗元件探讨”曲鲁、兰怀迎等，P（34-35）张开文 2012.11.16
