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常常用用热热电电阻阻 范范围围：- -260260850850；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，使用期为，使用期为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，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

3、可分分别别测测量量268.8268.8253253- -272.9272.9272.99272.99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使使用用。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：传感器直接与被测物体接触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

4、度的前提条件是低。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。被测物体的热容量要足够大。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,它它是是采采用用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准准确确的的精精度

5、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 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，专专门

6、门用用于于核核聚聚变变研研究究。瑞瑞士士BrowaBrowa Borer Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开研究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：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测精度却较低。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。对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等

7、。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：、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：基于热电阻效应：电阻率随温度变化发生改变的现象电阻率随温度变化发生改变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化的关系可由下式表示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 R Rt t=R=R0 01+1+（t-

8、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；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；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；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，即特性的良好的工艺性，即特性的复现性好复现性好，便于批量生产。，便于批量生产。 第8章 半导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

9、使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。 当温度高于当温度高于10

10、00C1000C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 第8章 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

11、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).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半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。的性质制成的。工作原理工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）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）越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电引起导电, ,这种热跃迁使半导体载流子

12、浓度和迁移率发生变化这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化, ,根根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。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在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热电阻热电阻（如铂、铜电阻（如铂、铜电阻温度计等）和温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得。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（到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40-40350350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。）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)(1)灵敏度高灵敏

13、度高, ,有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突有正、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变的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大1010100100倍以倍以上上, ,能检测出能检测出1010-6-6温度变化。温度变化。 (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热敏敏电电阻阻可可做做到到直直径径为为0.2mm,0.2mm,能能够够测测出出一一般般温温度度计计无无法法测测量量的的空空隙隙、腔腔体体、内内孔孔、生物体血管等处的温度。生物体血管等处的温度。 (3)(3)使使用用方方便便, ,电

14、电阻阻值值可可在在0.10.1100k100k之之间间任任意意选选择择。使使用用时时，一一般般可可不不必必考考虑虑线线路路引引线线电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端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。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（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。稳定性好。商品化产品已有商品化产品已有3030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0.010.01的的小温度范围内，其稳定性可达小温度范围内

15、，其稳定性可达0.00020.0002的精度。相比的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。之下，优于其它各种温度传感器。(5)原料资源丰富，价格低廉。原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经玻璃封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。分可贵的特点。第8章 半导体传感器热热敏敏电电阻阻的的种种类类很很多多，分分类类方方法法也也不不相相同同。按按热热敏敏电电阻阻的的阻阻值值与与温温度度关关系系这这一重要特性可分为：一重要

16、特性可分为：1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称器，简称PTCPTC热敏阻器热敏阻器。它的主要材。它的主要材料是是由在料是是由在BaTiO3BaTiO3和和SrTiO3SrTiO3为主的成为主的成分中加入少量分中加入少量Y2O3Y2O3和和Mn2O3Mn2O3构成的烧构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大值增大, ,其色标标记为其色标标记为红色红色。开关型。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变值发生突变, ,有有斜率最

17、大斜率最大的区段的区段, ,通过通过成分配比和添加剂的改变成分配比和添加剂的改变, ,可使其斜可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里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例如加入适量铅其居里温度升高; ;若若将铅换成锶将铅换成锶, ,其居里温度下降。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） 电阻值随温度升高而下降的热电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器，敏电阻器，简称简称NTCNTC热敏电阻器。热敏

18、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）型半导体热敏电阻研究最早热敏电阻研究最早, ,生产最成熟生产最成熟, ,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, , 特别适合于特别适合于-100-100300C300C之间的之间的温度测量温度测量, ,其色标标记为其色标标记为绿色绿色。图图8.1 8.1 半导体热敏电阻的温度特性半导体热敏电

19、阻的温度特性第8章 半导体传感器3 3突变型负温度系数热敏电阻器突变型负温度系数热敏电阻器（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还原气氛中形成半玻璃状物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体烧结体, ,还可以制成临界型还可以制成临界型（CTRCTR）热敏电阻）热敏电阻, ,它是它是负温度系负温度系数型数型, ,在某特定温度范围内随温度在某特定温度范围内随温度升高而升高而急剧下降急剧下降，最高可，最高可降低降低3 34 4个数量级，即具有很大个数量级，即具有很大负温度系负温度系数数。即。即在某个温度范围里阻值在某个温度范围里阻值, ,曲曲线斜率在此区段特别

20、陡峭线斜率在此区段特别陡峭, ,灵敏度灵敏度极高极高, ,其色标标记为白色其色标标记为白色。此特性。此特性可用于可用于自动控温和报警电路自动控温和报警电路中。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

21、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

22、分类小分类代表例子第8章 半导体传感器 标称阻值标称阻值R RH H 在在环环境境温温度度为为( (25250.20.2)时时测测得得的的阻阻值值, ,也也称称冷冷电阻电阻, ,单位为单位为。 电阻温度系数电阻温度系数t t 热热敏敏电电阻阻的的温温度度每每变变化化11时时, ,阻阻值值的的相相对对变变化化率率, ,单单位为位为%/%/。如不作特别说明。如不作特别说明, ,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第8章 半导体传感器材料常数材料常数B

23、 B 是表征是表征负温度系数负温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。热敏电阻器材料的物理特性常数。B B值决定值决定于材料的激活能于材料的激活能E E，具有具有B=B=E E2k2k的函数关系，式中的函数关系，式中k k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。一般一般B B值越大值越大，则电阻值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，。在工作温度范围内，B B值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。 如如果果被被测测温温度度比比较较低低, ,而而且且不不需需要要很很高高的的精精度度时时, ,一一般般把把

24、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mWmW/。在在工工作作范范围围内内，当当环环境境温温度度变变化化时时，H H值值随随之之变变化化，它它取取决决于于热热敏敏电电阻阻的的形形状状、封封装装形式以及周围介质的种类。形式以及周围介质的种类。第8章 半导体传感器时间常数时间常数 它它是是指指热热敏敏电电阻阻

25、从从温温度度为为T T0 0的的介介质质中中突突然然移移入入温温度度为为T T的的介介 质质 中中 （ 环环 境境 温温 度度 阶阶 跃跃 变变 化化 ） , ,热热 敏敏 电电 阻阻 的的 温温 度度 升升 高高T=0.63(T-TT=0.63(T-T0 0) )所所需需的的时时间间, ,单单位位为为s s。它它表表征征热热敏敏电电阻阻加加热热或或冷冷却却的的速速度度。一一般般在在1-501-50秒秒之之间间. .它它与与热热容容量量C C和和耗耗散散系系数数H H之之间的关系间的关系最高工作温度最高工作温度T Tm m 它它是是指指热热敏敏电电阻阻长长期期连连续续工工作作所所允允许许的的最

26、最高高温温度度, ,在在该该温温度下度下, ,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。热敏电阻性能参数的变化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特性曲线一致。特性曲线一致。热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线

27、1 1- -NTCNTC；2 2- -CTRCTR； 3 3- -4 PTC4 PTC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温度系数是温度的非线

28、性函数。随温度减小而增大。随温度减小而增大, ,所以所以低温时低温时热敏电热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, ,故热敏电阻常用于低温（故热敏电阻常用于低温（-100-100300C300C）测量。由测）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），），都能利用该式都能利用该式，它仅是一个经验公式。，它仅是一个经验公式。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

29、不同同，则则B B也也不不同同。用用lnlnR RT T1/1/T T表表示示负负电电阻温度系数热敏电阻阻温度系数热敏电阻温度特性，在温度特性，在实际应用实际应用中比较方便。中比较方便。1051041031020 -101030507085100120T/C(1/T)电阻电阻/( (lnRlnRT T) )NTCNTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻-温度曲线温度曲线如果以如果以lnRlnRT T、1/T1/T分别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，lnRlnRT0T0) )的一条直线，如图。的一条直线，如图。

30、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，在在居居里里点点附附近近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10000100010010050100150200250R20=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 PTCPTC热敏电阻的热敏电阻的工作温工作温度范围较窄度范围较窄，在工作区两端，在工作区两端

31、，电阻电阻温度曲线上有两个拐温度曲线上有两个拐点：点：T Tp1p1和和T Tp2p2。当温度低于。当温度低于T Tp1p1时，温度灵敏度低；当温时，温度灵敏度低；当温度升高到度升高到T Tp1p1后，电阻值随温后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到迅速增大）；当温度升到T Tp2p2时，正温度系数热敏电阻器时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度在工作温度范围内存在温度TcTc，对应有较大的，对应有较大的温度系数温度系数tptp 。第8章 半导体传感器 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数

32、热敏电阻器的电阻阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中式中 R RT T、R RT0T0温度分别为温度分别为T T、T T0 0时的电阻值；时的电阻值； B BP 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：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

33、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。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（U UI I）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和和

34、周周围围介介质质热热平平衡衡（即即加加在在元元件件上上的的电电功功率率和和耗耗散散功率相等）时的互相关系。功率相等）时的互相关系。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：第8章 半导体传感器oaoa段段：为线性段，表示在低电流下：为线性段，表示在低电流下, ,热热敏电阻呈线性电阻性质，敏电阻呈线性电阻性质，电压降和电压降和电流

35、成正比电流成正比。这一区域适合温度测这一区域适合温度测量，量，a a点是没有自热时的最大电流值。点是没有自热时的最大电流值。 abab段段：随电流增加随电流增加, ,电压上升变缓电压上升变缓, ,曲线曲线呈非线性呈非线性, ,这一工作区是非线性正阻这一工作区是非线性正阻区。区。 bcbc段段：当电流超过一定值以后当电流超过一定值以后, ,曲线向曲线向下弯曲出下弯曲出现负阻特性现负阻特性, ,称为负阻区。称为负阻区。 表示有较大自热时，电流引起热敏表示有较大自热时，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。尤阻的压降随电流的增加而减小。尤

36、其是阻值大的热敏电阻。其是阻值大的热敏电阻。b b点处自热点处自热增量为零，自热温度等于环境温度。增量为零，自热温度等于环境温度。 d d点：点：是空气中最大安全电流工作点。是空气中最大安全电流工作点。电流过大，超过电阻的允许功率。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，曲线的起始段为直线，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值相等。这是因为流过电其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这

37、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略不计的缘故。当热阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。102103104105101Um10110210310010-1ImPTCPTC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当电压增至U Um m时，存在一个电时，存在一个电流最大值流最大值I Im m；如电压继续增加，由如电压继续增加，由于温升引起电阻值

38、增加速度超过电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，即压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。曲线斜率由正变负。 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, ,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需需要要的的时间。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

39、热敏电阻的安时特性热敏电阻的安时特性 第8章 半导体传感器 目目前前半半导导体体热热敏敏电电阻阻还还存存在在一一定定缺缺陷陷, ,主主要要是是互互换换性性和和稳稳定定性性还还不不够够理理想想, ,虽虽然然近近几几年年有有明明显显改改善善, ,但但仍仍比比不不上上金金属属热热电电阻阻, ,其其次次是是它它的的非非线线性性严严重重, ,且且不不能能在在高高温温下下使使用用, ,因因而而限限制制了其应用领域。了其应用领域。（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

40、温度成比例的电信号, ,需要考虑它的直线性需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, ,输出电压输出电压U Uoutout上升。在上升。在0 0100100C C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

41、, ,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。第8章 半导体传感器为为了了在在较较宽宽的的范范围围内内实实现现线线性性化化, ,可可采采用用模模拟拟电电路路参参数数设设定定法法: :把把热热敏敏电电阻传感器接入图阻传感器接入图8.88.8所示电路中的所示电路中的R RT T位置上位置上, ,则电路输出电压为则电路输出电压为 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

42、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

43、温度差的电路求出其温度差的电路 在在温温度度测测量量中中, ,测测量量温温度度的的绝绝对对值值一一般般能能测测量量到到0.10.1C C左左右右的的精精度度, ,要要测测到到0.010.01C C的的高高精精度度是是很很困困难难的的。但但是是, ,如如果果在在具具有有两两个个热热敏敏电电阻阻的的桥桥式式电电路路中中, ,在在同同一一温温度度下下, ,调调整整电电桥桥平平衡衡, ,当当两两个个热热敏敏电电阻阻所所处处环环境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示示出出这这种种求求温温度度差差的的电电路路图图。图图（a a）

44、电电路路的的测测温温范范围围较较小小, ,而而且且两两个个热热敏敏电电阻阻的的B B常常数数应应该该一一致致, ,但但灵灵敏敏度度高高; ;图图（b b）电电路路的的测测温温范范围围较较大大, ,而而且且对对B B常常数数一一致致性性的的要要求求也也不不严严格格, ,因因为为它它们们可可以以用用R Rs s来来适适当调整。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 第8章 半导体传感器利利用用半半导导体体二二极极管管、晶晶体体管管、可可控控硅硅等等的的伏伏安安特特性性与与温温度度的的关关系系可可做做出出温温敏敏器器件件。它它与与热热敏敏电电阻阻一一样样具具有有体体积积

45、小小、反反应应快快的的优优点点。此此外外, ,线线性性较较好好且且价价格格低低廉廉, ,在在不不少少仪仪表表里里用用来来进进行行温温度度补补偿偿。特特别别适适合合对对电电子子仪仪器器或或家家用用电电器器的的过过热热保保护护, ,也也常常用用于于简简单单的的温温度度显显示示和和控控制制。不不过过由由于于PNPN结结受受耐耐热热性性能能和和特特性性范范围围的的限限制制, ,只只能能用用来来测测量量150150C C以下的温度。以下的温度。 PNPN结温度传感器的种类结温度传感器的种类 种类：种类： 温敏二极管；温敏二极管；温敏三极管温敏三极管 温控晶闸管。温控晶闸管。 分立元件型分立元件型PNPN

46、结温度传感器也存在结温度传感器也存在互换性互换性和和稳定性稳定性不够理想的不够理想的缺点，集成化缺点，集成化PNPN结温度传感器则把感温部分、放大部分和补偿部分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，性能比较一致而且使用方便。封装在同一管壳里，性能比较一致而且使用方便。2. PN2. PN结型热敏器件结型热敏器件第8章 半导体传感器原理：原理：恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系根根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I ID D与与PNPN结结上上的正向压降的正向压降U

47、 UD D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为绝对温度为绝对温度, ,I Is s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) qUqUg0g0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, ,得得第8章 半导体传感器对上式两边取导数对

48、上式两边取导数, ,得到得到PNPN结正向压降对温度的变化率为结正向压降对温度的变化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=300K，=3.5=3.5，则得，则得即此条件下，温度每升高即此条件下，温度每升高11，PNPN结正向电压下降结正向电压下降2mV2mV第8章 半导体传感器硅硅二二极极管管正正向向电电压压的的温温度度特特性性如如图图8.

49、118.11所所示示。显显而而易易见见, , 在在4040300K300K之之间间有有良良好好的的线线性性。当当正正向向电电流流一一定定时时, ,二二极极管管的的种种类类不不同同, ,其其温温度度特性也不同特性也不同, ,正向电流变化时正向电流变化时, ,温度特性也随之变化。温度特性也随之变化。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 温度特性温度特性第8章 半导体传感器 如图如图8.128.12所示。利用二极管所示。利用二极管V VD D、R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R RW W组成一电桥电路组成一电桥电路, ,再用运算放大器把电桥输出电信

50、号放大并起到阻抗变换作用再用运算放大器把电桥输出电信号放大并起到阻抗变换作用, ,可提可提高信号的质量。高信号的质量。图图8.12 8.12 二极管测温电路二极管测温电路 二极管测温电路二极管测温电路第8章 半导体传感器 原理：原理：根据晶体管原理根据晶体管原理, ,处于正向工作状态的晶体三极管处于正向工作状态的晶体三极管, ,其发射极电流其发射极电流和发射结电压能很好地符合下面关系和发射结电压能很好地符合下面关系式中式中,I,IE E为发射极电流为发射极电流,U,UBEBE为发射结压降为发射结压降, ,I Isese为发射结的反向饱和电流。为发射结的反向饱和电流。 因因为为在在室室温温时时,

51、 ,kT/qkT/q=36mV=36mV左左右右, ,因因此此, ,在在一一般般发发射射结结正正向向偏偏置置的的条件下条件下, ,都能满足都能满足U UBEBEkT/qkT/q的条件的条件, ,这时上式可以近似为这时上式可以近似为（8.138.13）2) 2) 晶体三极管温度传感器晶体三极管温度传感器对上式取对数对上式取对数, ,得得(8.14) (8.14) 第8章 半导体传感器(8.15)(8.15) 由上式可知由上式可知, ,温度温度T T与发射结压降与发射结压降U UBEBE有对应关系有对应关系, ,我们可根据这一关系我们可根据这一关系通过测量通过测量U UBEBE来测量温度来测量温度

52、T T值值, ,且在温度不太高的情况下且在温度不太高的情况下, ,两者近似成线性关两者近似成线性关系系, ,其灵敏度为其灵敏度为 第8章 半导体传感器图图8.138.13为为硅硅半半导导体体晶晶体体管管的的基基极极发发射射极极间间电电压压U UBEBE和和集集电电极极电电流流I IC C关关系系的的温温度度特特性性。U UBEBE具具有有大大约约-2.3mV/ -2.3mV/ 的的温温度度系系数数，利利用用这这一一现现象象可以制成高精度、超小型的温度传感器，测温范围为可以制成高精度、超小型的温度传感器，测温范围为-50-200 -50-200 左右。左右。 图图8.13 8.13 U UBEB

53、E与与I IC C的温度特性的温度特性温度特性温度特性第8章 半导体传感器图图8.14 8.14 晶体管体温计原理图及测温输出特性晶体管体温计原理图及测温输出特性图图8.148.14为晶体管温度传感器用作为晶体管温度传感器用作电子体温计电子体温计的原理图及其输出特性。在的原理图及其输出特性。在0 050C50C的的范围内范围内, ,输出电压变化为输出电压变化为0 0-1V-1V, ,测温精度不低于测温精度不低于0.05C0.05C。实用举例实用举例第8章 半导体传感器结结型型热热敏敏器器件件另另一一种种类类型型是是利利用用可可控控硅硅元元件件的的热热开开关关特特性性制制成成的的可可控控硅硅热热

54、敏敏开开关关, ,是是一一种种无无触触点点热热开开关关元元件件。当当元元件件处处于于关关态态时时, ,流流过过阳阳极极与与阴极之间的电流阴极之间的电流I ID D为为式式中中, ,I IG G为为流流过过阳阳极极与与栅栅极极电电阻阻的的旁旁路路选选通通电电流流;a;a1 1为为空空穴穴电电流流增增长长率，率，a a2 2为电子电流增长率，为电子电流增长率，I IC0C0为集电极截止电流。为集电极截止电流。3)3)可控硅热敏开关可控硅热敏开关 当截止电压一定时当截止电压一定时, ,随随温度的上升温度的上升, ,热激电子空穴对成指数增加热激电子空穴对成指数增加, ,使使I IC0C0增大增大,a,

55、a1 1和和a a2 2也增大。当温度达到一定值也增大。当温度达到一定值, ,使使a a1 1+a+a2 2=1=1时时, ,元件即由元件即由截止状态截止状态转换为转换为导通状态导通状态。 可控硅热敏开关元件具有可控硅热敏开关元件具有温度传感温度传感和和开关开关两种特性两种特性, ,开关温度可通过调开关温度可通过调整整栅极电阻上的外加电压栅极电阻上的外加电压进行控制进行控制, ,导通状态具有导通状态具有自保持自保持能力能力, ,并能通过较大并能通过较大电流。电流。 第8章 半导体传感器表表8.1 8.1 可控硅热敏开关的应用范围可控硅热敏开关的应用范围第8章 半导体传感器客房火灾报警器客房火灾

56、报警器 TT201TT201温控晶闸管安装在每间客房内，发光二极管温控晶闸管安装在每间客房内，发光二极管LEDLED和报警器放在和报警器放在总服务台。一般情况下，总服务台。一般情况下，TT201TT201不导通，不导通，LEDLED不发光，报警器无声。不发光，报警器无声。当某一客房发生火灾，室内温度升高，当某一客房发生火灾，室内温度升高，TT201TT201导通，导通，LEDLED发光，报警发光，报警器发声报警。（如图所示）。器发声报警。（如图所示）。 第8章 半导体传感器集集成成电电路路（ICIC）温温度度传传感感器器是是近近期期开开发发的的，把把温温度度传传感感器器与与后后续续的的放放大大

57、器器等等用用集集成成化化技技术术制制作作在在同同一一基基片片上上而而成成的的，集集传传感感与与放放大大为为一一体体的的功功能能器器件件。这这种种传传感感器器输输出出特特性性的的线线性性关关系系好好，测测量量精精度度也也比比较较高高，使使用用起起来来方方便便，越越来来越越受受到到人人们们的的重重视视。它它的的缺缺点点是是灵灵敏敏度度较低。较低。 ICIC温度传感器的设计原理是温度传感器的设计原理是, ,对于集电极电流比一对于集电极电流比一定的两个晶体管定的两个晶体管, ,其其U UBEBE之差之差UUBEBE与温度有关。与温度有关。3.集成（集成（IC）温度传感器）温度传感器（如如AD590AD

58、590，美国模拟器件公司，美国模拟器件公司）第8章 半导体传感器ICIC传感器的基本特性如下：传感器的基本特性如下：（1 1）可测得线性输出电流（）可测得线性输出电流（1A/1A/C C）。）。（2 2）检测温度范围广检测温度范围广(-55(-55150150C)C)。（3 3）测量精度为测量精度为1 1C C。（4 4）无调整时也可使用。无调整时也可使用。（5 5）直线性很好）直线性很好, ,满量程非线性偏离满量程非线性偏离: :0.50.5C C。（6 6）使用电源范围广（使用电源范围广（+4+4+30V+30V）。）。第8章 半导体传感器由由上上式式知知, ,发发射射结结压压降降与与发发

59、射射极极电电流流I IE E及及反反向向饱饱和和电电流流I Isese有有关关, ,两个晶体管的发射结正向压降分别为两个晶体管的发射结正向压降分别为则两个晶体管发射结压降差则两个晶体管发射结压降差（8.168.16）原理：原理：第8章 半导体传感器(8.16(8.16）式式表表明明UUBEBE与与绝绝对对温温度度T T成成正正比比。选选择择特特性性相相同同的的两两个个晶晶体体管管, ,则则I Ise1se1=I=Ise2se2, ,两两个个晶晶体体管管的的电电流流放放大大系系数数也也应应相相同同, ,当当两两个晶体管的集电极电流分别为个晶体管的集电极电流分别为I IC1C1、I IC2C2时时

60、, ,（8.178.17） UUBEBE经经后后级级放放大大器器放放大大后后, ,可可使使传传感感器器的的输输出出随随温温度度产产生生10mV/10mV/的变化量。的变化量。ICIC温度传感器的设计原理是温度传感器的设计原理是, ,对于集电极电流比对于集电极电流比一定的两个晶体管一定的两个晶体管, ,其其U UBEBE之差之差UUBEBE与温度有关。与温度有关。第8章 半导体传感器图图8.18 8.18 电压输出型电压输出型ICIC温度传感器原理图温度传感器原理图 ICIC温度传感器按输出方式可分为电压输出型和电流输出型。图温度传感器按输出方式可分为电压输出型和电流输出型。图8.188.18为

61、电压输出型为电压输出型ICIC温度传感器原理图。图中温度传感器原理图。图中V V1 1、V2V2为集电极电流为集电极电流分别为分别为I I1 1、I I2 2的两个性能相同的晶体管。的两个性能相同的晶体管。第8章 半导体传感器图图8.19 8.19 电压输出型电压输出型ICIC温度传感器放大器的原理框图温度传感器放大器的原理框图 图图8.198.19为放大器的原理框图。为放大器的原理框图。第8章 半导体传感器图图8.20 8.20 电流输出型电流输出型ICIC温度传感器原理图温度传感器原理图 电流输出型电流输出型ICIC温度传感器原理图如图温度传感器原理图如图8.208.20所示。从图中不难看

62、出所示。从图中不难看出: :U UBE1BE1= =U UBE2BE2; ; I IC3C3= =I IC4C4第8章 半导体传感器 ICIC设计时设计时, ,取取V V3 3发射极面积为发射极面积为V V4 4发射极面积的发射极面积的8 8倍倍, ,于是根据式于是根据式(8.17)(8.17)得电阻得电阻R R上的电压输出为上的电压输出为图图中中集集电电极极电电流流由由U UT T/R/R决决定定, ,电电路路中中流流过过的的电电流流为为流流过过R R的的电电流的流的2 2倍。取倍。取R=358,R=358,则可获得灵敏度为则可获得灵敏度为1A/K1A/K的温度传感器。的温度传感器。第8章

63、半导体传感器ICIC温温度度传传感感器器的的一一大大特特点点是是应应用用起起来来很很方方便便。图图8.218.21表表示示最最简简单单的的绝绝对对温温度度计计（开开耳耳芬芬温温度度计计）。如如果果把把它它的的刻刻度换算成摄氏、华氏温度刻度时就可以做成各种温度计了。度换算成摄氏、华氏温度刻度时就可以做成各种温度计了。图图8.21 8.21 开耳芬温度计开耳芬温度计 第8章 半导体传感器图图8.22 8.22 低温测量温度计低温测量温度计图图8.228.22表示用串联电路时测量低温度的电路图。表示用串联电路时测量低温度的电路图。第8章 半导体传感器图图8.23 8.23 测量平均温度的电路图测量平

64、均温度的电路图图图8.238.23表示用并联电路时测量平均温度值的电路图。表示用并联电路时测量平均温度值的电路图。第8章 半导体传感器光光纤纤的的特特征征是是对对电电、磁磁及及其其他他辐辐射射的的抗抗干干扰扰性性好好, ,而而且且细细、轻轻、能能量量损损失失少少。因因此此, ,利利用用光光纤纤做做的的传传感感器器, ,在恶劣的环境下也能正常工作。在恶劣的环境下也能正常工作。 利利用用半半导导体体材材料料的的光光吸吸收收与与温温度度的的关关系系, ,可可以以构构成成透射式光纤温度传感器。透射式光纤温度传感器。 4.4.半导体光纤温度传感器半导体光纤温度传感器第8章 半导体传感器图图8.24 8.

65、24 各种半导体禁带宽度的温度特性各种半导体禁带宽度的温度特性图图8.248.24表示各种半导体禁带宽度的温度特性表示各种半导体禁带宽度的温度特性, ,从图中可看出从图中可看出, ,半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度EgEg随温度随温度T T增加近似线性地减小。增加近似线性地减小。第8章 半导体传感器 半半导导体体材材料料的的E Eg g随随温温度度上上升升而而减减小小，亦亦即即其其本本征征吸吸收收波波长长gg随随温温度度上上升升而而增增大大。反反映映在在半半导导体体的的透透光光特特性性上上，即即当当温温度度升升高高时时，其其透透射射率率曲曲线线将将向向长长波波方方向向移移动动。若若采采用用发发

66、射射光光谱谱与与半半导导体体的的g g( (t t) )相相匹匹配配的的发发光光二二极极管管作作为为光光源源，如图，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T2T3T3T1T2相对光强图图8.25 8.25 半导体材料的吸收特性半导体材料的吸收特性透射率波长第8章 半导体传感器 图图8.268.26（a a）为为透透射射型型半半导导体体光光纤纤温温度度传传感感器器测测量量原原理理图图。在在输输入入光光纤纤和和输输出出光光纤纤之之间间夹夹一一片片厚厚度度约约零零点点几几毫毫米米的的半半导导体体材材料料, ,并并用用不不锈锈钢钢管

67、管加加以以固固定定, ,如如图图8.26(b)8.26(b)所所示示。它它体体积积小小、灵灵敏敏度度高高、 工工作作可可靠靠, , 广广泛泛应应用用于于高高压压电电力力装装置置中中的的温温度度测测量量等等特殊场合。特殊场合。 图图8.26 8.26 半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理图半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理图第8章 半导体传感器选选择择适适当当的的半半导导体体发发光光二二极极管管LED,LED,使使其其光光谱谱范范围围正正好好落落在在吸吸收收边边的的区区域域。半半导导体体材材料料的的光光吸吸收收, ,随随着着吸吸收收边边波波长长变变短短而而急急剧剧增增加加, ,直直到到光光几几

68、乎乎不不能能透透过过半半导导体体。相相反反, ,波波长长比比gg长长的的光光, ,半半导导体体透透过过率率就就高高。由由此此可可见见, ,半导体透射光强随温度的增加而减少。半导体透射光强随温度的增加而减少。 用用光光电电探探测测器器检检测测出出透透射射光光强强的的变变化化, ,并并转转换换成成相相应的电信号应的电信号, ,便能测量出温度。便能测量出温度。 这这这这种种种种光光光光纤纤纤纤温温温温度度度度传传传传感感感感器器器器结结结结构构构构简简简简单单单单、制制制制造造造造容容容容易易易易、成成成成本本本本低低低低、便便便便于于于于推推推推广广广广应应应应用用用用, , , , 可可可可在在

69、在在-10-300-10-300-10-300-10-300的的的的温温温温度度度度范范范范围围围围内内内内进进进进行行行行测量测量测量测量, , , , 响应时间约为响应时间约为响应时间约为响应时间约为2 s2 s2 s2 s。第8章 半导体传感器为为了了进进一一步步提提高高传传感感器器的的稳稳定定性性及及抗抗干干扰扰能能力力, ,并并提提高高测测量量精精度度, ,可可采采用以下两种方法。用以下两种方法。 1 1）双光纤参考基准通道法）双光纤参考基准通道法 其结构框图如图其结构框图如图8.278.27所示。光源采用所示。光源采用GaAlAsGaAlAs-LED,-LED,半导体吸收材料半导体

70、吸收材料CdTeCdTe或或GaAsGaAs作为测量元件。探测器选用作为测量元件。探测器选用Si-PINSi-PIN发光二极管。从图中可看出发光二极管。从图中可看出, ,此方此方案与前一方案的区别在于增加了一条参考光纤及相应的探测器。由于采用案与前一方案的区别在于增加了一条参考光纤及相应的探测器。由于采用了参考光纤和除法器了参考光纤和除法器, ,消除了干扰消除了干扰, ,提高了测量精度。这种温度计测温范围提高了测量精度。这种温度计测温范围为为-40-4012120C,0C,精度为精度为1C1C。 图图8.27 8.27 双光纤参考基准通道法原理框图双光纤参考基准通道法原理框图第8章 半导体传感

71、器2 2）双光源参考基准通道法）双光源参考基准通道法 图图8.288.28为测温示意图。发光二极管为测温示意图。发光二极管LEDLED（AlGaAs,AlGaAs,1 1=0.88m;InGaAsP,=0.88m;InGaAsP,2 2=1.27m=1.27m）交替地发出光脉冲交替地发出光脉冲, ,经耦经耦合器送入光纤探头合器送入光纤探头, ,每个光脉冲的宽度为每个光脉冲的宽度为10ms10ms。半导体半导体GdTeGdTe( (或或GaAsGaAs) )对一只对一只LEDLED发射波长为发射波长为1 1的光的吸收与温度有关的光的吸收与温度有关, ,而对另一只而对另一只LEDLED发出的波长为

72、发出的波长为2 2的的光几乎不吸收光几乎不吸收, ,这样可以作为参考光这样可以作为参考光, ,经经GeGe-APD-APD光电探测器送入采样保持电路光电探测器送入采样保持电路, ,得到正比于脉冲幅值的直流信号得到正比于脉冲幅值的直流信号, ,最后采用除法器获得温度信号。该温度计最后采用除法器获得温度信号。该温度计测温范围为测温范围为-10-10300300C,C,精度为精度为1 1C C。图图8.28 8.28 双光源参考基准通道法原理框图双光源参考基准通道法原理框图第8章 半导体传感器8.1.2 8.1.2 非接触型半导体温度传感器非接触型半导体温度传感器温温度度为为T T的的物物体体对对外

73、外辐辐射射的的能能量量E E与与波波长长的的关关系系, ,可用普朗克定律描述可用普朗克定律描述, ,即即（8.188.18） T T为物体在温度为物体在温度T T之下的发射率（也称为之下的发射率（也称为“黑度系数黑度系数”, ,当当T T=1=1时时物体为绝对黑体）物体为绝对黑体）; ;C C1 1为第一辐射常数（第一普朗克常数）为第一辐射常数（第一普朗克常数）,C,C1 1=3.7418=3.74181010-16-16 W Wm m2 2; ;C C2 2为第二辐射常数（第二普朗克常数）为第二辐射常数（第二普朗克常数）,C,C2 2=1.4388=1.43881010-2-2 m mK K

74、。 第8章 半导体传感器根根据据斯斯特特藩藩- -玻玻耳耳兹兹曼曼定定律律, ,将将上上式式在在波波长长自自0 0到到无无穷穷大大进进行行积分积分, ,当当T T=1=1时可得物体的时可得物体的辐射能辐射能(8.19) (8.19) b b: :黑体的斯特藩黑体的斯特藩- -玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数, ,b b=5.7=5.71010-8-8W Wm m-2-2K K-4-4; ;T Tb b是黑体的温度。是黑体的温度。 一般物体都不是一般物体都不是“黑体黑体”, ,其发射率其发射率T T不可能等于不可能等于1,1,而且普通物体而且普通物体的发射率不仅和温度有关的发射率不仅和温度有关, ,且和

75、波长有关且和波长有关, ,即即T T= =T T(T(T),),其值很难求其值很难求得。虽然如此得。虽然如此, ,辐射测温方法可避免与高温被测体接触辐射测温方法可避免与高温被测体接触, ,测温不破坏温度测温不破坏温度场场, ,测温范围宽测温范围宽, ,精度高精度高, ,反应速度快反应速度快, ,即可测近距离小目标的温度即可测近距离小目标的温度, ,又可又可测远距离大面积目标的温度。测远距离大面积目标的温度。辐射能与温度的关系通常用实验确定。辐射能与温度的关系通常用实验确定。黑黑体体的的辐辐射射规规律律之之中中, ,还还有有维维恩恩位位移移定定律律, ,即即辐辐射射能能量量的的最最大大值所对应的

76、波长值所对应的波长m m随温度的升高向短波方向移动随温度的升高向短波方向移动, ,用公式表达为用公式表达为(8.20) (8.20) 第8章 半导体传感器利利用用以以上上各各项项特特性性构构成成的的传传感感器器, ,必必须须由由透透镜镜或或反反射射镜镜将将物物体体的的辐辐射射能能会会聚聚起起来来, ,再再由由热热敏敏元元件件转转换换成成电电信信号号。常常用用的的热热敏敏元元件件有有热电堆、热敏或光敏电阻、光电池或热释电元件。热电堆、热敏或光敏电阻、光电池或热释电元件。 透透镜镜对对辐辐射射光光谱谱有有一一定定的的选选择择性性, ,例例如如光光学学玻玻璃璃只只能能透透过过0.30.32.7m2.

77、7m的的波波长长, ,石石英英玻玻璃璃只只能能透透过过0.30.34.5m4.5m的的波波长长。热热敏敏元元件件, ,尤尤其其是是光光敏敏元元件件也也对对光光谱谱有有选选择择性性。这这样样就就使使得得接接收收到到的的能能量量不不可可能能是是物物体体的的全全部部辐辐射射能能, ,而而只只是是部部分分辐辐射射能能。真真正正的的全全辐辐射射温温度度传传感器是不存在的。感器是不存在的。第8章 半导体传感器 图图8.298.29为为热热辐辐射射温温度度计计的的原原理理框框图图。由由光光学学系系统统接接收收来来的的被被测测物物体体的的辐辐射射能能, ,经经光光调调制制盘盘进进行行调调制制后后进进入入传传感

78、感器器, ,然然后后经经同同步步整整流流取取出出信信号号, ,再再经经放放大大后后输输出出。为为了了能能够够正正确确测测量量, ,还还应应对对被被测测对对象象的的发射率进行修正。发射率进行修正。 用用热热辐辐射射传传感感器器制制成成的的温温度度计计测测温温范范围围为为(-50(-50+3500),+3500),测测量量灵敏度为灵敏度为0.010.011K,1K,精度为精度为(0.5(0.52)%2)%。图图8.29 8.29 热辐射温度计的原理框图热辐射温度计的原理框图 第8章 半导体传感器 红红外外热热辐辐射射传传感感器器, ,从从原原理理上上又又可可分分为为热热电电型型和和光量子型光量子型

79、。 热热电电型型：指指由由于于辐辐射射热热引引起起元元件件温温度度的的微微小小变变化化, ,导导致致电电阻阻一一类类的的物物理理量量的的变变化化, ,而而达达到到测测温温的的目目的的。这这类类传感器一般与传感器一般与波长无关波长无关。 热热电电型型红红外外传传感感器器的的优优点点是是使使用用方方便便，可可直直接接在在室室温温下下使使用用，光光谱谱特特性性平平坦坦，灵灵敏敏度度与与波波长长无无关关。缺缺点点是是响响应应速速度度慢慢，灵灵敏敏度度低低，常常用用的的此此类类传传感感器器有有热热电堆，热释电传感器等。电堆，热释电传感器等。第8章 半导体传感器热热释释电电元元件件和和压压电电陶陶瓷瓷一一

80、样样, ,都都是是铁铁电电体体, ,如如铌铌酸酸锶锶钡钡、钛钛酸酸铅铅、铌铌酸酸钽钽等等, ,除除具具有有压压电电效效应应外外, ,在在辐辐射射能能量量照照射射下下也也会会放放射射出出电电荷荷。经经高高输输入入阻阻抗抗的的放放大大电电路路放放大大之之后后, ,可可得得到到足足够够大大的的电电信信号号。但但是是在在连连续续不不断断的的照照射射下下, ,它它并并不不能能产产生生恒恒定定的的电电动动势势, ,必必须须对对辐辐射射进进行行调调制制, ,使使成成为为断断续续辐辐射射, ,才才能能得得到到交交变变电电动动势势。因因此此, ,应应该该用用交交流流放放大大电电路路。热热释释电电元元件件的的响响

81、应应时时间间短短, ,通通常常把把它它和和场场效效应应管管封封装装在在同同一一外外壳壳里里, ,辐辐射射经经锗锗或或硅硅窗窗口口射射入入, ,由由场场效效应应管管阻阻抗抗变变换换后后与与放放大大电电路路配配合合。其其结结构构和和电电路路如如图图8.308.30所示。所示。 图图8.30 8.30 热释电辐射传感器热释电辐射传感器 第8章 半导体传感器热释电元件多用于热释电元件多用于红外波红外波段段的辐射测温中。图的辐射测温中。图8.308.30中只画出了管壳内部电路中只画出了管壳内部电路, ,使用时还需配接放大器。使用时还需配接放大器。由于管内已有阻抗变换由于管内已有阻抗变换, ,放大器设计比

82、较简单放大器设计比较简单, ,只只需将交流信号放大到一定需将交流信号放大到一定程度再解调成直流即可反程度再解调成直流即可反映被测温度。映被测温度。图图8.30 8.30 热释电辐射传感器热释电辐射传感器 第8章 半导体传感器 光光量量子子型型是是利利用用光光电电效效应应制制成成的的, ,因而因而与波长有关与波长有关。 光光量量子子型型传传感感器器 可可 以以 分分 为为 光光 导导（ PCPC） 型型 、 光光 电电（PVPV）型型、光光电电磁磁（PEMPEM）型型、肖肖特特基基（STST）型。型。图图8.31 8.31 光量子型红外传感器示意图光量子型红外传感器示意图(a)PC(a)PC型；

83、型；(b)PV(b)PV型；型；(c(c）PEMPEM型型; ;（d d）STST型型第8章 半导体传感器图图8.31 8.31 光量子型红外传感器示意图光量子型红外传感器示意图(a)PC(a)PC型；型；(b)PV(b)PV型；型；(c(c）PEMPEM型型; ;（d d）STST型型光导光导PCPC型型结构是电阻体光照后结构是电阻体光照后引起阻值变化引起阻值变化; ;光电光电PVPV型型为一为一PNPN结二极管结二极管, ,其耗其耗尽层上由于光照射生成电子空穴尽层上由于光照射生成电子空穴对对, ,检测由此产生的光电流检测由此产生的光电流; ;光电磁光电磁PEMPEM型型是利用是利用PEMP

84、EM效应效应, ,即即在加上电场及磁场的同时在加上电场及磁场的同时, ,由于光由于光照而产生与光强成比例的感应电照而产生与光强成比例的感应电荷荷; ;肖特基型肖特基型是根据金属与半导体是根据金属与半导体接触形成的肖特基势垒随光照而接触形成的肖特基势垒随光照而变化的原理制备的。变化的原理制备的。 第8章 半导体传感器图图8.32 8.32 红外传感器的光谱特性红外传感器的光谱特性 常用的红外传感材料有常用的红外传感材料有GeGe、SiSi、PbSPbS、HgCdTeHgCdTe、InSbInSb等。图等。图8.328.32给出了它们相应的光谱特性。这类传感器因与波长有关给出了它们相应的光谱特性。这类传感器因与波长有关, ,故故测量温度测量温度存在下限存在下限, ,例如例如PbSPbS为为100100以上以上,Si,Si为为400400以上。以上。第8章 半导体传感器1.热电阻的表示意义、2.热敏电阻的分类、色标、主要的参数、做温度传感器的优点。3.半导体二极管和三极管的测温原理4.PTC和NTC热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同?5.光纤温度传感器的基本原理。