【正文】 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 、 、色標、主要的參數(shù)、做溫度傳感器的優(yōu)點。圖 給出了它們相應(yīng)的光譜特性。 ⑷ 肖特基型 是根據(jù)金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘隨光照而變化的原理制備的。 ⑵ 光電 PV型 為一 PN結(jié)二極管 ,其耗盡層上由于光照射生成電子空穴對 ,檢測由此產(chǎn)生的光電流 。（ d） ST型 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 磁場電場I金屬半 導(dǎo) 體NP紅 外 光紅 外 光I偏 置 電 流( a )( b )( c ) ( d ) 圖 光量子型紅外傳感器示意圖 (a)PC型； (b)PV型； (c） PEM型 。 光量子型傳感器 可 以 分 為 光 導(dǎo)（ PC ） 型 、 光電（ PV） 型 、 光電磁（ PEM） 型 、 肖特基（ ST） 型 。由于管內(nèi)已有阻抗變換 ,放大器設(shè)計比較簡單 ,只需將交流信號放大到一定程度再解調(diào)成直流即可反映被測溫度。 硅窗熱 釋 電元件場 效 應(yīng)管DSG( a )( b )1 0 M ?1 0 k ?圖 熱釋電輻射傳感器 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 熱釋電元件多用于 紅外波段 的輻射測溫中。 熱釋電元件的響應(yīng)時間短 ,通常把它和場效應(yīng)管封裝在同一外殼里 ,輻射經(jīng)鍺或硅窗口射入 ,由場效應(yīng)管阻抗變換后與放大電路配合 。 但是在 連續(xù)不斷 的照射下 ,它并不能產(chǎn)生恒定的電動勢 ,必須對輻射進行 調(diào)制 ,使成為斷續(xù)輻射 ,才能得到交變電動勢 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 熱釋電元件和壓電陶瓷一樣 ,都是鐵電體 ,如鈮酸鍶鋇 、 鈦酸鉛 、 鈮酸鉭等 ,除具有壓電效應(yīng)外 ,在輻射能量照射下也會放射出電荷 。 熱電型紅外傳感器的優(yōu)點是使用方便 ， 可直接在室溫下使用 ， 光譜特性平坦 ， 靈敏度與波長無關(guān) 。 ① 熱電型： 指由于輻射熱引起元件溫度的微小變化 ,導(dǎo)致電阻一類的物理量的變化 ,而達到測溫的目的 。 (～ 2)%。 為了能夠正確測量 ,還應(yīng)對被測對象的發(fā)射率進行修正 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 。 這樣就使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能 ,而只是部分輻射能 。 透鏡對輻射光譜有一定的選擇性 ,例如光學玻璃只能透過 ～ 的波長 ,石英玻璃只能透過 ～ 的波長 。 黑體的 輻射規(guī)律 之中 ,還有維恩位移定律 ,即輻射能量的最大值所對應(yīng)的波長 λ m隨溫度的升高向短波方向移動 ,用公式表達為 2898m mT???() 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 利用以上各項特性構(gòu)成的傳感器 ,必須由透鏡或反射鏡將物體的輻射能會聚起來 ,再由熱敏元件轉(zhuǎn)換成電信號 。雖然如此 ,輻射測溫方法可避免與高溫被測體接觸 ,測溫不破壞溫度場 ,測溫范圍寬 ,精度高 ,反應(yīng)速度快 ,即可測近距離小目標的溫度 ,又可測遠距離大面積目標的溫度。 一般物體都不是 “ 黑體 ” ,其發(fā)射率 ε T不可能等于 1,而且普通物體的發(fā)射率不僅和溫度有關(guān) ,且和波長有關(guān) ,即 ε T=ε T(λ K4。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 根據(jù)斯特藩 玻耳茲曼定律 ,將上式在波長自 0到無窮大進行積分 ,當 ε T=1時可得物體的 輻射能 40 () bbE T d T? ? ?? ?? () σ b:黑體的斯特藩 玻耳茲曼常數(shù) ,σ b= 108W C2為第二輻射常數(shù)（第二普朗克常數(shù)） ,C2= 102 m C1為第一輻射常數(shù)（第一普朗克常數(shù)） ,C1= 1016 W LEDLEDG e A P D采 樣 保 持輸出?1?2?1?2探頭耦 合 器脈沖發(fā)生器?1?2247。 1176。該溫度計測溫范圍為 10～ 300176。InGaAsP,λ 2= ）交替地發(fā)出光脈沖 ,經(jīng)耦合器送入光纖探頭 ,每個光脈沖的寬度為 10ms。 光源放大放大除 法 器光 源 激 勵參 考 光 纖測 量 光 纖探頭對 稱 式 光 纖 探 測 器U1U0U2至 處 理 顯 示圖 雙光纖參考基準通道法原理框圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 2） 雙光源參考基準通道法 圖 。 1176。這種溫度計測溫范圍為 40～ 120176。從圖中可看出 ,此方案與前一方案的區(qū)別在于增加了一條參考光纖及相應(yīng)的探測器。光源采用 GaAlAsLED,半導(dǎo)體吸收材料 CdTe或 GaAs作為測量元件。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 為了進一步提高傳感器的穩(wěn)定性及抗干擾能力 ,并提高測量精度 ,可采用以下兩種方法 。 用光電探測器檢測出透射光強的變化 ,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號 ,便能測量出溫度 。相反 ,波長比 λg 長的光 ,半導(dǎo)體透過率就高 。 圖 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的測溫原理圖 光纖 半 導(dǎo) 體 吸 收 片光 纖 接 頭光纖不 銹 鋼 管( b )光源放 大 器輸出光 電 二 極 管溫 度 敏 感 元 件( 半 導(dǎo) 體 光 吸 收 片 )光纖光纖( a )第 8章 半導(dǎo)體傳感器 選擇適當?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管 LED,使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域 。在輸入光纖和輸出光纖之間夾一片厚度約零點幾毫米的半導(dǎo)體材料 ,并用不銹鋼管加以固定 ,如圖 (b)所示 。 若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的 λ g(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源 ，如圖 ， 則透射光強度將隨著溫度的升高而減小 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)體材料的 Eg隨溫度上升而減小 ， 亦即其本征吸收波長 λg 隨溫度上升而增大 。 利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系 ,可以構(gòu)成透射式光纖溫度傳感器 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 光纖的特征是對電 、 磁及其他輻射的抗干擾性好 ,而且細 、 輕 、 能量損失少 。 ＋－4 ~ 3 0 V5 0 0 ? AIC? A＋－圖 開耳芬溫度計 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 低溫測量溫度計 ? A＋－5 0 0 ? A＋－－－＋＋I C 3圖 。 圖 示最簡單的絕對溫度計 （ 開耳芬溫度計 ） 。 取 R=358Ω, 則可獲得靈敏度為 1μA/K 的溫度傳感器 。從圖中不難看出 : UBE1=UBE2。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 電壓輸出型 IC溫度傳感器放大器的原理框圖 21傳 感 器3 V＋V－4輸入輸出5 0 k ?10 mV / K放 大 器＋－圖 。圖 IC溫度傳感器原理圖。 IC溫度傳感器的設(shè)計原理是 ,對于集電極電流比一定的兩個晶體管 ,其 UBE之差 ΔU BE與溫度有關(guān)。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 由上式知 ,發(fā)射結(jié)壓降與發(fā)射極電流 IE及反向飽和電流 Ise有關(guān) ,兩個晶體管的發(fā)射結(jié)正向壓降分別為 111222lnlnEBEseEBEsekT IUqIkT IUqI??則兩個晶體管發(fā)射結(jié)壓降差 121221ln E s eB E B E B EE s ek T I IU U Uq I I? ? ? ?（ ） ln EBEsek T IUqI? ① 原理： 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 (） 式表明 ΔU BE與絕對溫度 T成正比 。 C。 （ 5） 直線性很好 ,滿量程非線性偏離 :177。 C。 （ 3） 測量精度為 177。 （ 2） 檢測溫度范圍廣 (55～ 150176。 （ IC）溫度傳感器 （ 如 AD590，美國模擬器件公司 ） 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 IC傳感器的基本特性如下： （ 1） 可測得線性輸出電流 （ 1μA/ 176。 它的缺點是靈敏度較低 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 集成電路 （ IC） 溫度傳感器是近期開發(fā)的 ， 把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等用集成化技術(shù)制作在同一基片上而成的 ， 集傳感與放大為一體的功能器件 。當某一客房發(fā)生火災(zāi)，室內(nèi)溫度升高， TT201導(dǎo)通， LED發(fā)光，報警器發(fā)聲報警。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 表 可控硅熱敏開關(guān)的應(yīng)用范圍 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 客房火災(zāi)報警器 TT201溫控晶閘管安裝在每間客房內(nèi)，發(fā)光二極管 LED和報警器放在總服務(wù)臺。當溫度達到一定值 ,使 a1+a2=1時 ,元件即由 截止狀態(tài) 轉(zhuǎn)換為 導(dǎo)通狀態(tài) 。a1為空穴電流增長率 ， a2為電子電流增長率 ， IC0為集電極截止電流 。 ③ 實用舉例 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 結(jié)型熱敏器件另一種類型是利用可控硅元件的熱開關(guān)特性制成的可控硅熱敏開關(guān) ,是一種 無觸點熱開關(guān)元件 。 C的 范圍內(nèi) ,輸出電壓變化為 0～ 1V,測溫精度不低于 176。 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 210－ 610－ 410－ 210102383 K355.8300.5255.2223.3176.8124.777.5UBE / VIC / ?A圖 UBE與 IC的溫度特性 ② 溫度特性 第