【正文】 第 8章 半導體傳感器 第 8章 半導體傳感器 半導體溫度傳感器 半導體濕度傳感器 半導體氣體傳感器 半導體磁敏傳感器 第 8章 半導體傳感器 溫度傳感器的種類 溫度傳感器按照 用途 可分為基準溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為 接觸式 和 非接觸式 ；按工作原理又可分為 膨脹式 、 電阻式 、 熱電式 、 輻射式 等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等。 第 8章 半導體傳感器 1． 常用熱電阻 范圍： 260～＋ 850℃ ；精度： ℃ 。 改進后可連續(xù)工作2022h， 失效率小于 1％ ， 使用期為 10年 。 2． 管纜熱電阻 測溫范圍為 20～＋ 500℃ ， 最高上限為 1000℃ ， 精度為 級 。 接觸式溫度傳感器 3． 陶瓷熱電阻 測量范圍為 –200～ +500℃ ， 精度為 、 。 4． 超低溫熱電阻 兩種碳電阻 ， 可分別測量 –～ 253℃ ～ ℃ 的溫度 。 5． 熱敏電阻器 適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用 。 經(jīng)濟性好 、 價格便宜 。 接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。 第 8章 半導體傳感器 l． 輻射高溫計 用來測量 1000℃ 以上高溫 。 分四種：光學高溫計 、 比色高溫計 、 輻射高溫計和光電高溫計 。 2． 光譜高溫計 前蘇聯(lián)研制的 YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計 ,其測量范圍為 400～ 6000℃ ,它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng) ,保證有足夠準確的精度進行自動測量 。 非接觸式溫度傳感器 3． 超聲波溫度傳感器 特點是響應(yīng)快 (約為 10ms左右 )， 方向性強 。 目前國外有可測到 5000 ℃ 的產(chǎn)品 。 4． 激光溫度傳感器 適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量 。 如 NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度 ， 精度為 1％ 。 美國麻省理工學院研制的一種激光溫度計 ， 最高溫度可達 8000℃ ， 專門用于核聚變研究 。 瑞士 Browa Borer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開 (K)的高溫 。 非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。 第 8章 半導體傳感器 半導體溫度傳感器 接觸型半導體傳感器 熱電阻傳感器有兩大類： ① 、 金屬熱電阻 ― 俗稱熱電阻 （ 熱電阻傳感器 ） ； ② 、 半導體熱電阻 ― 俗稱熱敏電阻 （ 熱敏電阻傳感器 ） 基于熱電阻效應(yīng)： 電阻率隨溫度變化發(fā)生改變的現(xiàn)象 電阻與溫度的關(guān)系 大多數(shù)金屬導體的電阻隨溫度而變化的關(guān)系可由下式表示 Rt=R0[1+α （ tt0） ] 第 8章 半導體傳感器 對熱電阻材料的要求 ： ① 電阻溫度系數(shù) α 要盡可能大，且穩(wěn)定； ②電阻率 ρ 要高； ③比熱小，亦即熱慣性小； ④電阻值隨溫度變化關(guān)系最好是線性關(guān)系； ⑤在較寬的測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理化學性質(zhì)； ⑥良好的工藝性，即特性的 復現(xiàn)性好 ，便于批量生產(chǎn)。 第 8章 半導體傳感器 熱電阻傳感器 由熱電阻絲、絕緣骨架、引出線組成。其中電阻絲是熱電阻的主體。目前最廣泛使用的熱電阻材料是銅熱電阻和鉑熱電阻。 鉑熱電阻 ：型號為 WZB， 分度號為 BA－ 1 R0＝ 46Ω 和 BA－ 2 R0＝ 100Ω 。 銅熱電阻 ：型號為 WZG，分度號為 G ， R0＝ 33Ω Rt＝ R0[1＋ At＋ Bt2＋ Ct3] 其優(yōu)點：① 輸出－輸入特性近似線性；② 工藝性好，價格便宜。 其缺點：①電阻率小，僅為鉑的 1／ 6，故體積大，熱慣性大。 ②當溫度高于 1000C時，易氧化、測量范圍小，不適于在 腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。 鎳熱電阻 在 50～ 2022C范圍內(nèi)，鎳的電阻與溫度的關(guān)系一般可寫成 Rt＝ R0[1＋ At＋ Bt2] 其他熱電阻 ①銦熱電阻②錳熱電阻 ③碳熱電阻 ④鐵熱電阻、鎳熱電阻 常用熱電阻 第 8章 半導體傳感器 習題 1 Pt100和 Cu50各代表什么傳感器？ 分別代表鉑電阻熱電式傳感器（ 0度時電阻值為100Ω ），銅電阻熱電式傳感器 (0攝氏度時電阻值為 50Ω). 第 8章 半導體傳感器 熱敏電阻是利用某種 半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。 工作原理 一般用量子躍遷觀點進行分析。由于熱運動（譬如溫度升高） ,越來越多載流子克服禁帶寬度（或電離能）引起導電 ,這種熱躍遷使半導體載流子濃度和遷移率發(fā)生變化 ,根據(jù)電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。 在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有 熱電偶 、 熱電阻 （如鉑、銅電阻溫度計等）和 熱敏電阻 。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（ 40～＋350℃ ）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。 第 8章 半導體傳感器 (1)靈敏度高 ,有正、負溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。其電阻溫度系數(shù)要比金屬大 10～ 100倍以上 ,能檢測出 106℃ 溫度變化。 (2)小型 ,材料加工容易 、 性能好 ， 最小的珠狀熱敏電阻可做到直徑為 ,能夠測出一般溫度計無法測量的空隙 、 腔體 、 內(nèi)孔 、生物體血管等處的溫度 。 (3)使用方便 ,電阻值可在 ～ 100kΩ 之間任意選擇 。 使用時 ， 一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小 、 故不需采取冷端溫度補償 ， 所以適合于遠距離測溫和控溫使用 。 （一）半導體熱敏電阻主要特點 第 8章 半導體傳感器 (4)穩(wěn)定性好。 商品化產(chǎn)品已有 30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進。據(jù)報道，在 ℃ 的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達 ℃ 的精度。相比之下，優(yōu)于其它各種溫度傳感器。 (5)原料資源豐富，價格低廉。 燒結(jié)表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點。 第 8章 半導體傳感器 熱敏電阻的種類很多 ， 分類方法也不相同 。 按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為： 1． 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ PTC） 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱 PTC熱敏阻器 。它的主要材料是是由在 BaTiO3和 SrTiO3為主的成分中加入少量 Y2O3和 Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特性曲線是隨溫度升高而阻值增大 ,其色標標記為 紅色 。開關(guān)型正溫度系數(shù)熱敏電阻在居里點附近阻值發(fā)生突變 ,有 斜率最大 的區(qū)段 ,通過成分配比和添加劑的改變 ,可使其斜率最大的區(qū)段處在不同的溫度范圍里,例如加入適量鉛其居里溫度升高 。若將鉛換成鍶 ,其居里溫度下降。 （二）熱敏電阻的分類 ① N T C② P T C③ C T R1011021031041051061071080 40 80 1 2 0 1 6 0 2 0 0t / ℃? / ?cm圖 半導體熱敏電阻的溫度特性 第 8章 半導體傳感器 2．負溫度系數(shù)熱敏電阻器（ NTC） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器， 簡稱 NTC熱敏電阻器。它的材料主要由 Mn、 Co、 Ni、 Fe等金屬的氧化物燒結(jié)而成 ,通過不同材質(zhì)組合 ,能得到不同的電阻值R0及不同的溫度特性。 負溫度系數(shù)（ NTC）型半導體熱敏電阻研究最早 ,生產(chǎn)最成熟 ,是應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻之一 , 特別適合于 100～ 300176。 C之間的溫度測量 ,其色標標記為 綠色 。 ① N T C② P T C③ C T R1011021031041051061071080 40 80 1 2 0 1 6 0 2 0 0t / ℃? / ?cm圖 半導體熱敏電阻的溫度特性 第 8章 半導體傳感器 3．突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器（ CTR） 如果用 V、 Ge、 W、 P等的氧化物在弱還原氣氛中形成半玻璃狀燒結(jié)體 ,還可以制成臨界型（ CTR）熱敏電阻 ,它是 負溫度系數(shù)型 ,在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而急劇下降 ，最高可降低 3～ 4個數(shù)量級，即具有很大 負溫度系數(shù) 。即在某個溫度范圍里阻值 ,曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭 ,靈敏度極高 ,其色標標記為白色 。此特性可用于 自動控溫和報警電路 中。 ① N T C② P T C③ C T R1011021031041051061071080 40 80 1 2 0 1 6 0 2 0 0t / ℃? / ?cm圖 半導體熱敏電阻的溫度特性 第 8章 半導體傳感器 熱敏電阻材料的分類 大分類 小分類 代表例子 NTC 單晶 金剛石、 Ge、 Si 金剛石熱敏電阻 多晶 遷移金屬氧化物復合燒結(jié)體 、無缺陷形金屬氧