【文章內(nèi)容簡介】 過環(huán)境溫度時，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。 102 103 104 105 101 Um 101 102 103 100 101 Im PTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性 2． 正溫度系數(shù) （ PTC） 熱敏電阻器的伏安特性 當(dāng)電壓增至 Um時，存在一個電流最大值 Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 （ 三 ） 熱敏電阻器的安時特性 （ U—I） 流過熱敏電阻的電流與時間的關(guān)系 ,稱為安時特性 ,如圖 示 。 它表示熱敏電阻在不同電壓下 ,電流達到穩(wěn)定最大值所需要的時間 。 對于一般結(jié)構(gòu)的熱敏電阻 ,其值均在 。 010203040501 2 3 4 5 6 7 8 9E ＝ 8 0 V7 0 V6 0 V5 0 V4 0 V3 0 V時間 / s電流 / mA 圖 熱敏電阻的安時特性 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 目前半導(dǎo)體熱敏電阻還存在一定缺陷 ,主要是 互換性 和 穩(wěn)定性 還不夠理想 ,雖然近幾年有明顯改善 ,但仍比不上金屬熱電阻 ,其次是它的非線性嚴(yán)重 ,且不能在高溫下使用 ,因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域 。 （四）熱敏電阻器主要缺點 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 ① 熱敏電阻測溫的基本電路 為了取得熱敏電阻的阻值和溫度成比例的電信號 ,需要考慮它的直線性和自身加熱問題。圖 。對于負溫度系數(shù)的熱敏電阻 (NTC型 )當(dāng)溫度上升時 ,熱敏電阻的阻值變小 ,輸出電壓 Uout上升。在 0～ 100176。 C溫度范圍內(nèi)有如下關(guān)系 : ?UbRT hUo u tRsbsoutT h sURURR? ?() （五） 熱敏電阻溫度傳感器 圖 0011e x p ( . )TTR R B TT???? ???? 83從公式 ()可知 ,溫度和熱敏電阻的阻 值之間有非線性特性。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 為了在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)線性化 ,可采用 模擬電路參數(shù) 設(shè)定法 :把熱敏電阻傳感器接入圖 RT位置上 ,則電路輸出電壓為 3112TREURRR????將 （ ） 式代入上式得 3101 2 011e x p [ ( ) ]REU R BR R T T?? ? ??R1C1CRTR2R3RPU1E ( ＋ 5 V ) 圖 測量電路原理圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 3 121 2 4 32 1 4 6 55 4 3 5l n l n l n1e x p ( ) 2 6xTT T Ts s so f TTRUR U UU E U U U U U UR R I R I R I RkTU U U U R U U m VUq? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?聯(lián)立以上各式及（ ）式 (（改寫為 0011( e x p [ ( ) ] )TTR R B TT??63501 2 4 0l n l nxo f sT T T T TsRUU R IRE BBR U U R U UR R R I T T?? ?? ? ?A 3A 4A 5A 6A 7U1U2U3U4U5UoUxERcRaRbR4R6R5R0R0R0R0Rf 可見，溫度與輸出電壓之間是非線性的，可用對數(shù)電路和除法器串聯(lián)電路實現(xiàn)線性化輸出，如圖 。圖中各點電壓之間的關(guān)系： 解得 圖 線性化電路 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 在設(shè)計電路參數(shù)時 ,若選擇 3012 4 0e x p ( )TsR R E BRR R I T??可使上式分母中前三項的代數(shù)和等于零 ,則有 65f s xoTR R I UUTR U B??即得到了輸出電壓 Uo與被測溫度 T成線性的關(guān)系式 。 A 3A 4A 5A 6A 7U1U2U3U4U5UoUxERcRaRbR4R6R5R0R0R0R0Rf 圖 線性化電路 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 ② 利用兩個熱敏電阻 ,求出其溫度差的電路 在溫度測量中 ,測量溫度的絕對值一般能測量到 176。 C左右的精度 ,要測到 176。 C的高精度是很困難的 。 但是 ,如果在具有兩個熱敏電阻的橋式電路中 ,在同一溫度下 ,調(diào)整電橋平衡 ,當(dāng)兩個熱敏電阻所處環(huán)境溫度不同 ,測量溫度差時 ,精度可以大大提高 。 圖 。 圖 （ a） 電路的測溫范圍較小 ,而且兩個熱敏電阻的 B常數(shù)應(yīng)該一致 ,但靈敏度高 。圖 （ b） 電路的測溫范圍較大 ,而且對 B常數(shù)一致性的要求也不嚴(yán)格 ,因為它們可以用 Rs來適當(dāng)調(diào)整 。 ?Rs2Eb?RT h 2?RT h 1R3R1R2EbRs1?RT h 1RT h 2( a ) ( b )圖 求溫度差的橋式電路 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 利用半導(dǎo)體二極管 、 晶體管 、 可控硅等的伏安特性與溫度的關(guān)系可做出溫敏器件 。 它與熱敏電阻一樣具有 體積小 、 反應(yīng)快 的優(yōu)點 。此外 ,線性較好 且 價格低廉 ,在不少儀表里用來進行溫度補償 。 特別適合對電子儀器或家用電器的 過熱保護 ,也常用于簡單的 溫度顯示和 控制 。 不過由于 PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制 ,只能用來測量 150176。 C以下的溫度 。 PN結(jié)溫度傳感器的種類 種類： ①溫敏二極管；②溫敏三極管③ 溫控晶閘管。 分立元件型 PN結(jié)溫度傳感器也存在 互換性 和 穩(wěn)定性 不夠理想的缺點，集成化 PN結(jié)溫度傳感器則把感溫部分、放大部分和補償部分封裝在同一管殼里，性能比較一致而且使用方便。 2. PN結(jié)型熱敏器件 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 ① 原理： 恒流條件下 ， 二極管電壓與溫度呈線性關(guān)系 根據(jù)半導(dǎo)體器件原理 ,流經(jīng)晶體二極管 PN結(jié)的正向電流 ID與 PN結(jié)上的正向壓降 UD有如下關(guān)系 0gqUkTsI B T e? ?? ? ?DqUkTDsI I e?（ ） 1)晶體二極管 PN結(jié)熱敏器件 式中 ,q為電子電荷量 ,k為玻耳茲曼常數(shù) ,T為絕對溫度 ,Is為反向飽和電流。它可寫為 () qUg0為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 。B和 η 為兩個常數(shù) ,其數(shù)值與器件的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。 將 ()式取對數(shù)并考慮到 ()式 ,得 0l n l n l nD D gk T k T k TU I U B Tq q q ?? ? ? ?第 8章 半導(dǎo)體傳感器 對上式兩邊取導(dǎo)數(shù) ,得到 PN結(jié)正向壓降對溫度的變化率為 ln ln lnD DdU k k k kI B TdT q q q q ?? ? ? ?從以上二式得到溫度靈敏度為 0[]gDD UUd U kd T T q??? ? ?() 2/DdU m V KdT ??k= 105eV/K，當(dāng)半導(dǎo)體材料選定為硅，則 Ugo=， 設(shè) UD=， T=300K， η =，則得 0l n l n l nD D gk T k T k TU I U B Tq q q ?? ? ? ?即此條件下，溫度每升高 1℃ ， PN結(jié)正向電壓下降 2mV 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 硅二極管正向電壓的溫度特性如圖 。 顯而易見 , 在 40～300K之間有良好的線性 。 當(dāng)正向電流一定時 ,二極管的種類不同 ,其溫度特性也不同 ,正向電流變化時 ,溫度特性也隨之變化 。 0 20 60 1 0 0 1 4 0 1 8 0 2 2 0 2 6 0 3 0 0F JT 10 00 (1 00 ?A)F D3 00 (1 00 ?A)F D2 00 (1 00 ?A)FD200( 10 ?A)溫度 / K正方向電壓 / V圖 硅二極管正向電壓的溫度特性 ② 溫度特性 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 如圖 。利用二極管 VD、 R R R3和 RW組成一電橋電路 , 再用運算放大器把電橋輸出電信號放大并起到阻抗變換作用 ,可提 高信號的質(zhì)量。 ＋－R1R2R3R4R5R6RfVRWVD圖 二極管測溫電路 ③ 二極管測溫電路 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 ① 原理： 根據(jù)晶體管原理 ,處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管 ,其發(fā)射極電流和發(fā)射結(jié)電壓能很好地符合下面關(guān)系 ( 1 )BEqUkTE s eI I e??式中 ,IE為發(fā)射極電流 ,UBE為發(fā)射結(jié)壓降 ,Ise為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流 。 因為在室溫時 ,kT/q=36mV左右 ,因此 ,在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下 ,都能滿足 UBEkT/q的條件 ,這時上式可以近似為 BEqUkTE s eI I e?（ ） 2) 晶體三極管溫度傳感器 對上式取對數(shù) ,得 ln EB