【正文】
8章 半導體傳感器 圖 晶體管體溫計原理圖及測溫輸出特性 ? A 7 4 83187642XII N VR41 5 0 k ?R17 k ?R21 M ?R56 8 0 k ?R31 0 0 k ?1 0 0 p F- 7 VR62 M ?- 7 V輸 出 電 壓D 8 1 1傳 感 三 極 管屏 蔽 線0 10 20 30 40 50- 0 . 2- 0 . 4- 0 . 6- 0 . 8- 1 . 0溫度 / ℃輸出電壓 / V( a ) ( b )圖 電子體溫計 的原理圖及其輸出特性。 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 EBEsek T IUqI?() 第 8章 半導體傳感器 ln EseIkaqI??令 常 數(shù) , 則BEU a T?() 由上式可知 ,溫度 T與發(fā)射結(jié)壓降 UBE有對應(yīng)關(guān)系 ,我們可根據(jù)這一關(guān)系 通過測量 UBE來測量溫度 T值 ,且在溫度不太高的情況下 ,兩者近似成線性關(guān) 系 ,其靈敏度為 lnB E Esed U Ikad T q I? ? ? 常 數(shù)第 8章 半導體傳感器 圖 —發(fā)射極間電壓 UBE和集電極電流 IC關(guān)系的溫度特性 。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。 當正向電流一定時 ,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 。 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 半導體傳感器 對上式兩邊取導數(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,當半導體材料選定為硅,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 半導體傳感器 硅二極管正向電壓的溫度特性如圖 。它可寫為 () qUg0為半導體材料的禁帶寬度 。 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。 C以下的溫度 。 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 。 它與熱敏電阻一樣具有 體積小 、 反應(yīng)快 的優(yōu)點 。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格 ,因為它們可以用 Rs來適當調(diào)整 。 圖 。 C的高精度是很困難的 。 A 3A 4A 5A 6A 7U1U2U3U4U5UoUxERcRaRbR4R6R5R0R0R0R0Rf 圖 線性化電路 第 8章 半導體傳感器 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。 第 8章 半導體傳感器 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 。在 0~ 100176。圖 。 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 半導體傳感器 目前半導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重 ,且不能在高溫下使用 ,因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域 。 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 。 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。這是因為流過電阻器電流很小時,耗散功率引起的溫升可以忽略不計的緣故。電流過大,超過電阻的允許功率。 b點處自熱增量為零,自熱溫度等于環(huán)境溫度。 表示有較大自熱時,電流引起熱敏電阻自身發(fā)熱升溫,阻值減小,電阻的壓降隨電流的增加而減小。 ab段 :隨電流增加 ,電壓上升變緩 ,曲線呈非線性 ,這一工作區(qū)是非線性正阻區(qū)。 熱敏電阻的端電壓 UT和通過它的電流 I有如下關(guān)系: 0011e x pTTTU I R I R B TT??? ? ?????第 8章 半導體傳感器 oa段 :為線性段,表示在低電流下 ,熱敏電阻呈線性電阻性質(zhì),電壓降和電流成正比。 第 8章 半導體傳感器 α β a b c d Um U0 I0 Im U/V I/mA NTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性 ( 二 ) 熱敏電阻器的伏安特性 ( U—I) 熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流 , 在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡 ( 即加在元件上的電功率和耗散功率相等 ) 時的互相關(guān)系 。 若對上式取對數(shù) , 則得: ? ?0 0e x pT T PR R B T T??? ? 0lnln 0 TPT RTTBR ???第 8章 半導體傳感器 ) 可見 正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù) α tp ,正好等于它的材料常數(shù)BP的值。當溫度低于Tp1時,溫度靈敏度低;當溫度升高到 Tp1后,電阻值隨溫度值劇烈增高(按指數(shù)規(guī)律迅速增大);當溫度升到 Tp2時,正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc,對應(yīng)有較大的 溫度系數(shù)α tp 。C 電阻/Ω Tp1 Tp2 Tc=175 186。C(1/T) 電阻 /Ω (lnRT) NTC熱敏電阻器的電阻 溫度曲線 如果以 lnRT、 1/T分別作為縱坐標和橫坐標,則上式是一條斜率為 B,通過點(1/T, lnRT0)的一條直線,如圖。 用 lnRT–1/T表示負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 —溫度特性 , 在 實際應(yīng)用 中比較方便 。由測試結(jié)果表明,不管是由氧化物材料,還是由單晶體材料制成的 NTC熱敏電阻器,在不太寬的溫度范圍(小于 450℃ ), 都能利用該式 ,它僅是一個經(jīng)驗公式。隨溫度減小而增大 ,所以 低溫時 熱敏電阻溫度系數(shù)大 ,所以 靈敏度高 ,故熱敏電阻常用于低溫( 100~ 300176。 熱敏電阻的電阻 溫度特性曲線 1NTC; 2CTR; 34 PTC 第 8章 半導體傳感器 RT、 RT0——溫度為 T、 T0時熱敏電阻器的電阻值 B ——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。 HC??HPTT E?? 0m a x