第8章1半导体温度传感器

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1、第8章 半导体传感器第8章 半导体传感器 8.1 半导体温度传感器8.2 半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器 8.4 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用途可分为基准温度计和工业温度计；按照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 电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型 、非电测型等。 第8章 半导体传感器1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作 2000h，失效率小于1，使用期为10年。 2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级 。接触式温度传感器3陶瓷

2、热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。 4超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99 的温度。 5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格 便宜。接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触 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，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较 低。因此采用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。第8章 半导体传感器l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高 温计、辐射高温计和光电高温计。 2光谱高温计 前

3、苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围 为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自 动测量。 非接触式温度传感器3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外 有可测到5000 的产品。 4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用 氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学 院研制的一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞 士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)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 线，从

4、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：不从被测物体上吸收热量；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。第8章 半导体传感器8.1 半导体温度传感器 8.1.1 接触型半导体传感器热电阻传感器有两大类：、金属热电阻俗称热电阻（热电阻传感器）；、半导体热电阻俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）基于热电阻效应：电阻率随温度变化发生改变的现象电阻与温度的关系 大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示Rt=R01+（t-t0） 第8章 半导体传感器1.热电阻传感器对热电阻材料的要求：电阻温度系数要尽可能大，且稳定；电阻率要高；比热小，亦即热惯性小

5、；电阻值随温度变化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；良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。 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、铂热电阻：型号为WZB， 分度号为BA1 R046和BA2 R0100 。2、铜热电阻：型号为WZG，分度号为G ，R033RtR01AtBt2Ct3 其优点： 输出输入特性近似线性； 工艺性好，价格便宜。 其缺点：电阻率小，仅为铂的16，故体积大，热惯性大。当温度高于1000C时，易氧化、测量范围小，不适于在 腐蚀性介质或高

6、温下工作。3、镍热电阻 在-502000C范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成RtR01AtBt2 4、其他热电阻 铟热电阻锰热电阻 碳热电阻 铁热电阻、镍热电阻 常用热电阻 第8章 半导体传感器习题1Pt100和Cu50各代表什么传感器？分别代表铂电阻热电式传感器（0度时电阻值为100），铜电阻热电式传感器(0摄氏度时电阻值为50).第8章 半导体传感器2.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化而变化的性质制成的。工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）,越来越多载流子克服禁带宽度（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化

7、,根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。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。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。第8章 半导体传感器(1)灵敏度高,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。其电阻温度系数要比金属大10100倍 以上,能检测出10-6温度变化。(2)小型,材料加工容易、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到 直径为0.2mm,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。(3)使用方便,电阻值可在0.11

8、00k之间任意选择。使用时， 一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采 取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。 （一）半导体热敏电阻主要特点第8章 半导体传感器(4)稳定性好。商品化产品已有30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0.01的 小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比 之下，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 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，这是十 分可贵的特点。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

9、电阻的阻值与温度关系这 一重要特性可分为： 1正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻 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升高而阻 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附近阻 值发生突变,有斜率最大的区段,通过 成分配比和添加剂的改变,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升高;若 将铅换成锶,其居里温度下降。（二）热敏电阻的分类 图8.1 半导体热敏电阻的温度特性 第8章 半导体传感器2负温度系数热敏电阻器

10、（NTC ）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器，简称NTC热敏电阻器。 它的材料主要由Mn、Co、Ni、Fe 等金属的氧化物烧结而成,通过不 同材质组合,能得到不同的电阻值 R0及不同的温度特性。负温度系数（NTC）型半导体热敏电阻研究最早,生产最成熟, 是应用最广泛的热敏电阻之一, 特别适合于-100300C之间的 温度测量,其色标标记为绿色。图8.1 半导体热敏电阻的温度特性 第8章 半导体传感器3突变型负温度系数热敏电阻器 （CTR）如果用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升 高

11、而急剧下降，最高可降低34 个数量级，即具有很大负温度系 数。即在某个温度范围里阻值,曲 线斜率在此区段特别陡峭,灵敏度 极高,其色标标记为白色。此特性 可用于自动控温和报警电路中。图8.1 半导体热敏电阻的温度特性 第8章 半导体传感器 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、Si Ba、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

12、 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系第8章 半导体传感器 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

13、类小分类代表例子第8章 半导体传感器标称阻值RH在环境温度为(250.2)时测得的阻值,也称冷电阻,单位为。电阻温度系数t热敏电阻的温度每变化1时,阻值的相对变化率,单位为%/。如不作特别说明,是指20时的温度系数。(8.1) 式中,R为温度为T(K)时的阻值。 （三）热敏电阻的主要参数第8章 半导体传感器材料常数B是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。B值决定 于材料的激活能E，具有B=E2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数 。一般B值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内， B值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。如果被测温度比较低,而且不需要很高的

14、精度时,一般把B看成一个常 数,求出温度或热敏电阻的阻值。图8.2 B常数的温度特性T/C第8章 半导体传感器散热系数H它是指热敏电阻自身发热使其温度比环境温度高出1所需的功率,单位为W/或mW/。在工作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，它取决于热敏电阻的形状、封装形式以及周围介质的种类。第8章 半导体传感器时间常数它是指热敏电阻从温度为T0的介质中突然移入温度为T的介质中（环境温度阶跃变化）,热敏电阻的温度升高T=0.63(T-T0)所需的时间,单位为s。它表征热敏电阻加热或冷却的速度。一般在1-50秒之间.它与热容量C和耗散系数H之间的关系最高工作温度Tm它是指热敏电阻长期连续工作所

15、允许的最高温度,在该温度下,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H散热系数第8章 半导体传感器（四）热敏电阻器主要特性1.热敏电阻器的电阻温度特性（RTT） 123 4铂丝 40601201600100101102103104105RT/温度T/CTT与RTT特性曲线一致。热敏电阻的电阻-温度特性曲线 1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC第8章 半导体传感器RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值B NTC热敏电阻的材料常数。对上式微分后,再除以RT,可得NTC的温度系数负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：可见,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,所以灵敏度高,故热敏电阻常用于低温（-100300C）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NTC热敏电阻器，在不 太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。第8章 半导体传感器材料的不同或配方的比例和方法不同，则B也不同。用lnRT1/T表示负电 阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。1051041031020 -101030507085100120