《電氣測(cè)試技術(shù)第5版》 課件 4.2 微型溫度傳感器

02December20244.2微型溫度傳感器4.2.1熱釋電溫度傳感器4.2.2PN結(jié)溫度傳感器4.2.3集成（IC）溫度傳感器4.2.4石英振子溫度傳感器4.2.5微型溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例02December20244.2.1熱釋電溫度傳感器熱釋電晶體具有自發(fā)的電極化能力，電極化強(qiáng)度與溫度有關(guān)，晶體的這種性質(zhì)稱為熱釋電效應(yīng)。常溫下，雖然晶體也產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，在與自發(fā)極化強(qiáng)度垂直的兩端面出現(xiàn)極性相反、密度等于的面束縛電荷，但是該電荷被晶體內(nèi)部和外部的自由電荷中和，故對(duì)外呈現(xiàn)中性。由此可見(jiàn)，不能在靜態(tài)條件下測(cè)量熱釋電晶體的自發(fā)極化電荷。圖4-1熱釋電溫度傳感器原理a）熱釋電效應(yīng)

b）等效電路

c）極化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系02December20244.2.2PN結(jié)溫度傳感器

利用PN結(jié)的溫度特性可做成各種測(cè)溫傳感器。二極管PN結(jié)溫度傳感器基本原理

如前所述，PN結(jié)電流與電壓

的關(guān)系為：式中，

A為PN結(jié)橫截面積；

q為流過(guò)PN結(jié)的電荷量（

）；

為玻爾茲曼常數(shù)（

）；

T為熱力學(xué)溫度。在載流子注入情況下，流過(guò)PN結(jié)反向飽和電流

可表示為：02December2024對(duì)硅單晶

（4-5）式中，；

為禁帶寬度。聯(lián)立求解式（4-3）～式（4-5）得：

一般情況下，上式括號(hào)內(nèi)的兩項(xiàng)與溫度的關(guān)系可忽略。因此

（4-6）式中，

為常數(shù)。

由此可見(jiàn)，PN結(jié)兩端電壓與溫度成線性關(guān)系。02December2024基本特性

正向電流一定時(shí)，二極管PN結(jié)溫度傳感器PN結(jié)兩端電壓與溫度之間的關(guān)系在相當(dāng)寬的溫域內(nèi)具有良好的線性，見(jiàn)圖4-2a。圖4-2PN結(jié)溫度傳感器的特性a）二極管PN結(jié)的溫度特性

b）晶體三極管PN結(jié)的溫度特性02December2024晶體管PN結(jié)溫度傳感器

1.基本原理

硅晶體三極管的

約有2mV/℃的溫度系數(shù)。利用這一性質(zhì)可制成小型的晶體三極管溫度傳感器。

由晶體管原理可知，

、與熱力學(xué)溫度T有下列關(guān)系：

式中，

為與基極偏壓有關(guān)的常數(shù)；

為由基區(qū)少數(shù)載流子特性決定的常數(shù)。

2.基本特性

由式（4-7）可見(jiàn)，

一定時(shí)，

基本上與溫度T成線性關(guān)系。但溫度較高時(shí)，非線性誤差較嚴(yán)重，見(jiàn)圖4-2b。02December20244.2.3集成（IC）溫度傳感器集成（IC）溫度傳感器是指把溫度敏感元件與后續(xù)放大器集成于一片芯片上，組成傳感與放大為一體的功能器件的傳感器。溫度敏感元件的原理與晶體管PN結(jié)溫度傳感器相似。電壓輸出型IC溫度傳感器

其電路原理見(jiàn)圖4-3。電流輸出型IC溫度傳感器

見(jiàn)圖4-4。02December2024電壓輸出型IC溫度傳感器圖4-3電壓輸出型IC溫度傳感器a）溫度敏感元件

b）IC溫度傳感器原理電流輸出型IC溫度傳感器圖4-4電流輸出型IC溫度傳感器a）內(nèi)部電路

b）I－U轉(zhuǎn)換運(yùn)用等效電路02December20244.2.4石英振子溫度傳感器利用石英晶體切片構(gòu)成振子，其諧振頻率

隨溫度變化而變化的特性構(gòu)成測(cè)溫傳感器。其諧振頻率

為：

式中，

為諧波次數(shù)；

為晶片厚度；

為晶體密度；

為常數(shù)。在一般情況下，

、

、

均與溫度有關(guān)，其中

、

與晶片切割方向有關(guān)。選擇某一切割方向，可使

、

、

三者的變化互相抵消，則

隨溫度t的變化極小；若選擇另一切割方向，可使三者隨溫度的變化互相加強(qiáng)，則

隨溫度的變化就十分明顯，此法可用于測(cè)溫。02December2024頻率與溫度之間的關(guān)系為：

（4-11）式中，

、

分別為溫度

、

時(shí)的振蕩頻率；

、

、

分別為一次、二次、三次頻率溫度系數(shù)。由式（4-11）可見(jiàn)，選擇某一切割方向切下的晶片，能使

、

、隨溫度變化引起頻率的變化量相互抵消，即溫度變化后，

仍等于

，故此方向切下的晶片可作為頻率基準(zhǔn)源的振子，如石英晶體振蕩器的振子。但是，也可選擇另一切割方向，使

、隨溫度的變化幾乎為零，而

為最大，那么，式（4-11）可寫成

（4-12）

式中，

為頻率系數(shù)；

。由上式可見(jiàn)，

與

成線性關(guān)系。用于測(cè)溫元件的石英振子是按LC方向切割的。02December20244.2.5微型溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)募t外測(cè)溫儀本測(cè)溫儀采用LN-206P或IRA001S熱釋電傳感器，該傳感器在調(diào)制光的頻率為7Hz以下工作，在1Hz獲得最高頻響靈敏度可達(dá)1100V/W（在溫度500K時(shí)）。因此，必須把被測(cè)物體發(fā)射的連續(xù)紅外光調(diào)制成1Hz的脈沖光。該儀器組成框圖見(jiàn)圖4-5。圖4-5傳感器與測(cè)溫儀組成框圖1－調(diào)制盤

2－傳感器

3－電動(dòng)機(jī)

4－溫度補(bǔ)償二極管02December2024集成紅外探測(cè)報(bào)警器本紅外探測(cè)/報(bào)警器選用SD02型熱釋電傳感器，該傳感器內(nèi)含敏感元件、濾光片和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其外型見(jiàn)圖4-6a。其中，1腳為漏極；2腳為源極；3腳為地。當(dāng)采用源極輸出接法時(shí)，源極電壓

0.4~1.0V。該傳感器的峰值波長(zhǎng)

9.4μm，當(dāng)人體體溫為36～37℃時(shí)，發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為9～10μm。因此，該傳感器對(duì)移動(dòng)的人體具有峰值頻響，作為人體探測(cè)/報(bào)警器的傳感元件極為合適。圖4-6集成紅外探測(cè)/報(bào)警器原理a）SD02傳感器結(jié)構(gòu)

b）報(bào)警器原理電路02December202415路巡回紅外探測(cè)報(bào)警器該巡回紅外探測(cè)器可對(duì)15路進(jìn)行人體移動(dòng)探測(cè)和聲光報(bào)警，適用倉(cāng)庫(kù)的防盜報(bào)警。該裝置選用HN911系列熱釋電集成傳感器，其內(nèi)部含有熱釋電檢測(cè)元件，選頻放大器，信號(hào)處理電路，延遲電路，溫度補(bǔ)償電路和高低電平輸出電路等，其管腳排列見(jiàn)圖4-7a。圖中，6腳為地；3腳為VDD；4與5腳間接100變阻器調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度；1與2腳為輸出，靜態(tài)時(shí)，1腳輸出低電平，2腳輸出高電平；當(dāng)有移動(dòng)人體進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，1腳由低電平變高電平，2腳由高電平變低電平。單片HN911的探測(cè)距離達(dá)15m。02December2024數(shù)字體溫表體溫表以晶體管PN結(jié)作為溫度敏感元件，見(jiàn)圖4-8。由圖可見(jiàn)，敏感元件V的

隨被測(cè)溫度的增加而負(fù)向變化，經(jīng)運(yùn)算放大器后為

。調(diào)節(jié)后RP2便調(diào)節(jié)了A的閉環(huán)放大倍數(shù)，使?jié)M足0～50℃時(shí)，

。調(diào)節(jié)RP1可調(diào)節(jié)體溫計(jì)的零點(diǎn)。數(shù)字體溫計(jì)的精度可達(dá)0.05℃。數(shù)字體溫計(jì)亦可用于測(cè)量電氣元件、設(shè)備及電子元件表面某點(diǎn)的溫度。圖4-8數(shù)字體溫表原理02December2024高精度溫度測(cè)量?jī)x原理框圖見(jiàn)圖4-9。由圖可見(jiàn)，利用石英振子作為溫度敏感元件，它作為熱敏振蕩器的振蕩元件。基準(zhǔn)振蕩器的輸出信號(hào)為穩(wěn)定度極高的2.8MHz，經(jīng)10倍頻后，與熱敏振蕩器的振蕩元件的輸出信號(hào)

混頻，其差頻為

。

28MHz為對(duì)應(yīng)于被測(cè)溫度T=0℃時(shí)的頻率。隨著T的變化，

變化，

也變化。2.8MH