微型温度传感器

sP5.2.1热释电温度传感器•热释电晶体具有自发的电极化能力，电极化强度与温度有关，晶体的这种性质称为热释电效应。•常温下，虽然晶体也产生热释电效应，在与自发极化强度垂直的两端面出现极性相反、密度等于的面束缚电荷，但是该电荷被晶体内部和外部的自由电荷中和，故对外呈现中性。•由此可见，不能在静态条件下测量热释电晶体的自发极化电荷。图5-1热释电温度传感器原理a）热释电效应b）等效电路c）极化强度与温度的关系sP5.2.2PN结温度传感器利用PN结的温度特性可做成各种测温传感器。二极管PN结温度传感器基本原理如前所述，PN结电流与电压的关系为：式中，A为PN结横截面积；q为流过PN结的电荷量（）；为玻尔兹曼常数（）；T为热力学温度。在载流子注入情况下，流过PN结反向饱和电流可表示为：IUkTqUsAeII/C106.119qJ/K1038.123kksIisqLnI对硅单晶（5-5）式中，；为禁带宽度。联立求解式（5-3）～式（5-5）得：一般情况下，上式括号内的两项与温度的关系可忽略。因此（5-6）式中，为常数。由此可见，PN结两端电压与温度成线性关系。)2/(kTqUiGBen2/3161087.3TBGU)lg(lg230.2IqLBAqkTUUGKTUUGqkK/60.4•基本特性正向电流一定时，二极管PN结温度传感器PN结两端电压与温度之间的关系在相当宽的温域内具有良好的线性，见图5-2a。图5-2PN结温度传感器的特性a）二极管PN结的温度特性b）晶体三极管PN结的温度特性晶体三极管PN结温度传感器1.基本原理硅晶体三极管的约有2mV/℃的温度系数。利用这一性质可制成小型的晶体三极管温度传感器。由晶体管原理可知，、与热力学温度T有下列关系：式中，为与基极偏压有关的常数；为由基区少数载流子特性决定的常数。2.基本特性由式（5-7）可见，一定时，基本上与温度T成线性关系。但温度较高时，非线性误差较严重，见图5-2b。beUbeUcIcGbeIaTqkTUUln)(acIbeU5.2.3集成（IC）温度传感器•集成（IC）温度传感器是指把温度敏感元件与后续放大器集成于一片芯片上，组成传感与放大为一体的功能器件的传感器。•温度敏感元件的原理与晶体管PN结温度传感器相似。①电压输出型IC温度传感器其电路原理见图5-3。②电流输出型IC温度传感器见图5-4。电压输出型IC温度传感器图5-3电压输出型IC温度传感器a）温度敏感元件b）IC温度传感器原理电流输出型IC温度传感器图5-4电流输出型IC温度传感器a）内部电路b）I－U转换运用等效电路5.2.4石英振子温度传感器利用石英晶体切片构成振子，其谐振频率随温度变化而变化的特性构成测温传感器。其谐振频率为：式中，为谐波次数；为晶片厚度；为晶体密度；为常数。在一般情况下，、、均与温度有关，其中、与晶片切割方向有关。选择某一切割方向，可使、、三者的变化互相抵消，则随温度t的变化极小；若选择另一切割方向，可使三者随温度的变化互相加强，则随温度的变化就十分明显，此法可用于测温。ffijCdnf2ndijCdijCdijCdijCff频率与温度之间的关系为：（5-11）式中，、分别为温度、时的振荡频率；、、分别为一次、二次、三次频率温度系数。由式（5-11）可见，选择某一切割方向切下的晶片，能使、、随温度变化引起频率的变化量相互抵消，即温度变化后，仍等于，故此方向切下的晶片可作为频率基准源的振子，如石英晶体振荡器的振子。但是，也可选择另一切割方向，使、随温度的变化几乎为零，而为最大，那么，式（5-11）可写成（5-12）式中，为频率系数；。由上式可见，与成线性关系。用于测温元件的石英振子是按LC方向切割的。])()()(1[302000ttttttaffttf0f0tttf0ftkftaffttaffft00000)](1[fk0ttttft5.2.5微型温度传感器应用实例•具有温度自动补偿的红外测温仪本测温仪采用LN-206P或IRA001S热释电传感器，该传感器在调制光的频率为7Hz以下工作，在1Hz获得最高频响灵敏度可达1100V/W（在温度500K时）。因此，必须把被测物体发射的连续红外光调制成1Hz的脉冲光。该仪器组成框图见图5-5。图5-5传感器与测温仪组成框图1－调制盘2－传感器3－电动机4－温度补偿二极管集成红外探测报警器•本红外探测/报警器选用SD02型热释电传感器，该传感器内含敏感元件、滤光片和场效应晶体管，其外型见图5-6a。其中，1脚为漏极；2脚为源极；3脚为地。当采用源极输出接法时，源极电压0.4~1.0V。该传感器的峰值波长9.4µm，当人体体温为36～37℃时，发出的红外线波长为9～10µm。因此，该传感器对移动的人体具有峰值频响，作为人体探测/报警器的传感元件极为合适。sU图5-6集成红外探测/报警器原理a）SD02传感器结构b）报警器原理电路15路巡回红外探测报警器•该巡回红外探测器可对15路进行人体移动探测和声光报警，适用仓库的防盗报警。•该装置选用HN911系列热释电集成传感器，其内部含有热释电检测元件，选频放大器，信号处理电路，延迟电路，温度补偿电路和高低电平输出电路等，其管脚排列见图5-7a。图中，6脚为地；3脚为VDD；4与5脚间接100变阻器调节传感器的灵敏度；1与2脚为输出，静态时，1脚输出低电平，2脚输出高电平；当有移动人体进入探测区域时，1脚由低电平变高电平，2脚由高电平变低电平。单片HN911的探测距离达15m。数字体温表•体温表以晶体管PN结作为温度敏感元件，见图5-8。由图可见，敏感元件V的随被测温度的增加而负向变化，经运算放大器后为。调节后RP2便调节了A的闭环放大倍数，使满足0～50℃时，。调节RP1可调节体温计的零点。数字体温计的精度可达0.05℃。•数字体温计亦可用于测量电气元件、设备及电子元件表面某点的温度。1V~0oU图5-8数字体温表原理高精度温度测量仪原理框图见图5-9。由图可见，利用石英振子作为温度敏感元件，它作为热敏振荡器的振荡元件。基准振荡器的输出信号为稳定度极高的2.8MHz，经10倍频后，与热敏振荡器的振荡元件的输出信号混频，其差频为。28MHz为对应于被测温度T=0℃时的频率。随着T的变化，变化，也变化。2.8MHz信号经时基选择（见虚线框）后为信号，作为门电路的开门信号，开门期间计数器对计数值为N，由式（5-12）得：可见，计数器得计数值N正比于被测温度的变化量。精密温度测量仪的精度为±0.075℃，月稳定度为±0.007℃。xftf0xfxftf0ftftkffNft0t图5-9高精度温度测量仪原理框图Doyouhavemadeaprogresstoday?