【正文】 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。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)。 顯而易見 , 在 40～300K之間有良好的線性 。 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 。 ＋－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 。 UBE具有大約 ℃ 的溫度系數(shù) ， 利用這一現(xiàn)象可以制成高精度 、 超小型的溫度傳感器 ， 測溫范圍為 50200 ℃ 左右 。在0～ 50176。 C。 當(dāng)元件處于 關(guān)態(tài)時 ,流過陽極與陰極之間的電流 ID為 01121 ( )CGDI a IIaa???? 式中 ,IG為流過陽極與柵極電阻的旁路選通電流 。 3)可控硅熱敏開關(guān) 當(dāng)截止電壓一定時 ,隨 溫度的上升 ,熱激電子空穴對成指數(shù)增加 ,使 IC0 增大 ,a1和 a2也增大。 可控硅熱敏開關(guān)元件具有 溫度傳感 和 開關(guān) 兩種特性 ,開關(guān)溫度可通過調(diào)整 柵極電阻上的外加電壓 進行控制 ,導(dǎo)通狀態(tài)具有 自保持 能力 ,并能通過較大電流。一般情況下， TT201不導(dǎo)通， LED不發(fā)光，報警器無聲。（如圖所示）。 這種傳感器輸出特性的線性關(guān)系好 ， 測量精度也比較高 ，使用起來方便 ， 越來越受到人們的重視 。 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)。 C） 。 C)。 1176。 （ 4） 無調(diào)整時也可使用 。 176。 （ 6） 使用電源范圍廣 （ +4～ +30V） 。 選擇特性相同的兩個晶體管 ,則 Ise1=Ise2,兩個晶體管的電流放大系數(shù)也應(yīng)相同 ,當(dāng)兩個晶體管的集電極電流分別為 IC IC2時 , 12ln CBECk T IUqI??（ ） ΔU BE經(jīng)后級放大器放大后 ,可使傳感器的輸出隨溫度產(chǎn)生 10mV/℃的變化量 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 電壓輸出型 IC溫度傳感器原理圖 V1V2R1R2I2I1GNDV＋UscR3 IC溫度傳感器按輸出方式可分為電壓輸出型和電流輸出型。圖中 V V2為集電極電流分別為 I I2的兩個性能相同的晶體管。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 電流輸出型 IC溫度傳感器原理圖 V1V2V4V3R＋－UT－v電流輸出型 IC溫度傳感器原理圖如圖 。 IC3=IC4 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 IC設(shè)計時 ,取 V3發(fā)射極面積為 V4發(fā)射極面積的 8倍 ,于是根據(jù)式()得電阻 R上的電壓輸出為 ln 8 0 .1 7 9 2 /T kTU m V Kq?? 圖中集電極電流由 UT/R決定 ,電路中流過的電流為流過 R的電流的 2倍 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 IC溫度傳感器的一大特點是 應(yīng)用起來很方便 。 如果把它的刻度換算成攝氏 、 華氏溫度刻度時就可以做成各種溫度計了 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 測量平均溫度的電路圖 ＋ ＋ ＋－ － －I C 3 1 . 5 m Am A＋－圖 。 因此 ,利用光纖做的傳感器 ,在惡劣的環(huán)境下也能正常工作 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 各種半導(dǎo)體禁帶寬度的溫度特性 0 1 0 0 3 0 0 5 0 00 . 20 . 61 . 01 . 41 . 82 . 2Ga PGa AsSi InPG e(摻雜)Ge(本征)T / KEg / eV圖 ,從圖中可看出 ,半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg隨溫度 T增加近似線性地減小。 反映在半導(dǎo)體的透光特性上 ，即當(dāng)溫度升高時 ， 其透射率曲線將向長波方向移動 。 LED發(fā)光光譜 半導(dǎo)體透射率 T1T2T3 T3 T1 T2 相對光強 圖 半導(dǎo)體材料的吸收特性 透射率 波長 gg Ehc?? ??第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 （ a） 為透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器測量原理圖 。 它體積小 、靈敏度高 、 工作可靠 , 廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量等特殊場合 。 半導(dǎo)體材料的光吸收 ,隨著吸收邊波長變短而急劇增加 ,直到光幾乎不能透過半導(dǎo)體 。 由此可見 ,半導(dǎo)體透射光強隨溫度的增加而減少 。 這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單 、 制造容易 、 成本低 、 便于推廣應(yīng)用 , 可在 10300℃ 的溫度范圍內(nèi)進行測量 , 響應(yīng)時間約為 2 s。 1） 雙光纖參考基準通道法 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 。探測器選用 SiPIN發(fā)光二極管。由于采用了參考光纖和除法器 ,消除了干擾 ,提高了測量精度。 C,精度為 177。 C。發(fā)光二極管 LED（ AlGaAs,λ 1=。半導(dǎo)體 GdTe(或 GaAs)對一只 LED發(fā)射波長為 λ 1的光的吸收與溫度有關(guān) ,而對另一只 LED發(fā)出的波長為 λ 2的光幾乎不吸收 ,這樣可以作為參考光 ,經(jīng) GeAPD光電探測器送入采樣保持電路 ,得到正比于脈沖幅值的直流信號 ,最后采用除法器獲得溫度信號。 C,精度為 177。 C。圖 雙光源參考基準通道法原理框圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器 溫度為 T的物體對外輻射的能量 E與波長 λ 的關(guān)系 ,可用普朗克定律描述 ,即 51 21( ) [e x p 1 ]TCE T CT? ? ? ????? （ ） ε T為物體在溫度 T之下的發(fā)射率（也稱為 “ 黑度系數(shù) ” ,當(dāng) ε T=1時物體為絕對黑體） 。m2。K。m2 Tb是黑體的溫度。T),其值很難求得。 輻射能與溫度的關(guān)系通常用實驗確定。 常用的熱敏元件有 熱電堆 、 熱敏或光敏電阻 、 光電池或熱釋電元件 。 熱敏元件 ,尤其是光敏元件也對光譜有選擇性 。 真正的全輻射溫度傳感器是不存在的 。 由光學(xué)系統(tǒng)接收來的被測物體的輻射能 ,經(jīng)光調(diào)制盤進行調(diào)制后進入傳感器 ,然后經(jīng)同步整流取出信號 ,再經(jīng)放大后輸出 。 用熱輻射傳感器制成的溫度計測溫范圍為 (50～ +3500)℃ ,測量靈敏度為 ～ 1K,精度為 177。 A1A2線 性 化處理輸出濾 波 器同步整流被測物體光圈物鏡半 透 鏡電機旋 轉(zhuǎn) 調(diào) 制 盤旋 轉(zhuǎn) 同 步 檢 測檢 測 器 ( P b S 等 )比 較 電 燈觀 察 透 鏡圖 熱輻射溫度計的原理框圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 紅外熱輻射傳感器 ,從原理上又可分為 熱電型 和光量子型 。 這類傳感器一般與波長無關(guān) 。 缺點是響應(yīng)速度慢 ， 靈敏度低 ， 常用的此類傳感器有熱電堆 ， 熱釋電傳感器等 。 經(jīng)高輸入阻抗的放大電路放大之后 ,可得到足夠大的電信號 。 因此 ,應(yīng)該用交流放大電路 。 其結(jié)構(gòu)和電路如圖 。圖 中只畫出了管殼內(nèi)部電路 ,使用時還需配接放大器。 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 ② 光量子型 是利用光電效應(yīng)制成的 ,因而 與波長有關(guān) 。 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 。（ d） ST型 ⑴ 光導(dǎo) PC型 結(jié)構(gòu)是電阻體光照后引起阻值變化 。 ⑶ 光電磁 PEM型 是利用 PEM效應(yīng) ,即在加上電場及磁場的同時 ,由于光照而產(chǎn)生與光強成比例的感應(yīng)電荷 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 紅外傳感器的光譜特性 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 2 4 6 8 10 20 30108109101010111012SiP b SH g C d T eI n S b 熱 敏 電 阻輻 射 熱 測 量 計熱 電 堆可 見 光靈 敏 度波長 ? / ? m比檢測率D* 常用的紅外傳感材料有 Ge、 Si、 PbS、 HgCdTe、 InSb等。這類傳感器因與波長有關(guān) ,故 測量溫度存在下限 ,例如 PbS為 100℃ 以上 ,Si為 400℃ 以上。 4. PTC和 NTC熱敏電阻的電阻 溫度特性有什么不同 ?