电气检测技术47课件.ppt

1、4.7 4.7 半导体及集成温度传感器半导体及集成温度传感器NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术2 热电偶虽然有测温范围宽的优点，但热电势较热电偶虽然有测温范围宽的优点，但热电势较低；热敏电阻的工作温度范围窄，但灵敏度高，有低；热敏电阻的工作温度范围窄，但灵敏度高，有利于检测微小温度变化。但它们的输出都是非线性利于检测微小温度变化。但它们的输出都是非线性的，给使用带来一定的困难。的，给使用带来一定的困难。本节主要介绍半导体温度传感器及集成温度传本节主要介绍半导体温度传感器及集成温度传感器感器，这些传感器在一定测温范围内，温度值与输这些传感器在一定测温范围内，温度值与输出量之间呈

2、较严格的线性关系。出量之间呈较严格的线性关系。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术3一、半导体温度传感器一、半导体温度传感器 半导体温度传感器分类：半导体温度传感器分类：PNPN结的半导体温度传感器、非结型温度传感器。结的半导体温度传感器、非结型温度传感器。PNPN结半导体温度传感器又可分为：结半导体温度传感器又可分为：1 1、二极管温度传感器、二极管温度传感器 2 2、晶体管温度传感器、晶体管温度传感器 3 3、集成电路温度传感器；、集成电路温度传感器；非结型温度传感器主要有：非结型温度传感器主要有：锗锗(GeGe)单晶、硅单晶、硅(SiSi)单晶温度传感器。单晶温度传感器。

3、NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术4半导体温度传感器的特点半导体温度传感器的特点 低温段线性度好、测温精度较高，是常用的测低温段线性度好、测温精度较高，是常用的测温传感器。温传感器。PNPN结测温传感器是利用半导体材料和器件的某结测温传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现对温度的检测、控些性能参数的温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补偿等功能。制和补偿等功能。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术51 1、温敏二极管、温敏二极管 PNPN结正向电压与温度间具有很好的线性关系。结正向电压与温度间具有很好的线性关系。如砷化镓和硅温敏二极管在一

4、定温度范围的温如砷化镓和硅温敏二极管在一定温度范围的温度表现为良好的线性。度表现为良好的线性。硅二极管用于温度测量具有简单价廉的优点，硅二极管用于温度测量具有简单价廉的优点，但它的一致性较差。但它的一致性较差。输出电压表示为：输出电压表示为：式中：式中：V VG G为禁带宽度，为禁带宽度，T T为绝对温度。电流一定为绝对温度。电流一定时，时，K K为常数。为常数。PNPN结两端的电压与温度成线性关系。结两端的电压与温度成线性关系。KTVVGNUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术6 需注意的是：通过需注意的是：通过PNPN结的工作电流不能过大，结的工作电流不能过大，一般工作电流选在

5、一般工作电流选在100100300mA300mA内，否则会因工作电内，否则会因工作电流太大导致二极管自流太大导致二极管自身温度升高而产生测身温度升高而产生测量误差。且对不同的量误差。且对不同的工作电流，温敏二极工作电流，温敏二极管电压管电压温度曲线有温度曲线有所不同，但电压所不同，但电压温温度曲线在量程内总呈度曲线在量程内总呈线性关系。线性关系。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术72 2、温敏三极管、温敏三极管 硅晶体三极管基极与发射极间电压约有硅晶体三极管基极与发射极间电压约有-2mV/-2mV/的温度系数。在的温度系数。在-50-50+200+200范围内接近线性。范围内

6、接近线性。利利用三极管的这种特性可以制成高精度、超小型温度用三极管的这种特性可以制成高精度、超小型温度传感器，它能大批量生产，传感器，它能大批量生产，价格低廉。利用集成电路价格低廉。利用集成电路制作工艺，可与放大电路制作工艺，可与放大电路一起制成集成化温度传感一起制成集成化温度传感器，近年来发展很快。器，近年来发展很快。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术8 由晶体管特性知道，硅三极管基极与发射极间由晶体管特性知道，硅三极管基极与发射极间电压与绝对温度和集电极电流之间有如下关系：电压与绝对温度和集电极电流之间有如下关系：为硅单晶的禁带宽度；为硅单晶的禁带宽度；为与基极偏压有关的

7、常数；为与基极偏压有关的常数；为由基区少数载流子的温度特性决定的常数为由基区少数载流子的温度特性决定的常数 为单位电荷为单位电荷 为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 当工作电流当工作电流I IC C恒定时，一定范围内，恒定时，一定范围内，U Ubebe与绝对与绝对温度呈线性关系。温度较高时非线性误差较严重。温度呈线性关系。温度较高时非线性误差较严重。CGbeITqkTUUln)(GUqkNUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术9基本测量电路基本测量电路 NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术10 常温下，运放使三极管传感器通过一恒定集电常温下，运放使三极管传感器通过一恒定集

8、电极电流极电流I IC C，I IC C由电源由电源E E和电阻和电阻R RC C确定，电容确定，电容C C1 1和电阻和电阻R R1 1用来消除寄生振荡。用来消除寄生振荡。当当I IC C=100uA=100uA时，输出电压约在时，输出电压约在580580620mV620mV。随。随着环境温度的变化，也略有变化。着环境温度的变化，也略有变化。当温度从当温度从-40-40变化到变化到+50+50时，时，U Ubebe从从700mV700mV变变化到化到300mV300mV左右，左右，NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术11 三极管温度传感器常用于环境温度变化不大的三极管温度传感

9、器常用于环境温度变化不大的领域。领域。例工业、医疗等领域，作为测温或控温元件。例工业、医疗等领域，作为测温或控温元件。传感器通常标定精度为土传感器通常标定精度为土0.10.1，在特殊场合可得到，在特殊场合可得到土土0.010.01的标定精度。的标定精度。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术12二、集成温度传感器二、集成温度传感器 集成温度传感器是把温度传感器集成温度传感器是把温度传感器（如热敏晶体如热敏晶体管管）与放大电路等后续电路，利用集成化技术制作与放大电路等后续电路，利用集成化技术制作在同一芯片的功能器件。在同一芯片的功能器件。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气

10、检测技术13 集成温度传感器具有以下一些特点：集成温度传感器具有以下一些特点：1 1、输出信号大，与温度有较好的线性关系；、输出信号大，与温度有较好的线性关系；2 2、小型化、成本低、使用方便、测温精度高；、小型化、成本低、使用方便、测温精度高；集成温度传感器的类型集成温度传感器的类型(按输出量不同按输出量不同)：1 1、电压型、电压型(灵敏度一般为灵敏度一般为10mV/)10mV/)2 2、电流型、电流型(灵敏度一般为灵敏度一般为1uA/)1uA/)NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术14 集成温度传感器具有绝对零度时输出电量为零集成温度传感器具有绝对零度时输出电量为零的特性

11、，利用这一特性可制作成绝对温度测量仪。的特性，利用这一特性可制作成绝对温度测量仪。由于感温元件与全部其它电路都集中在一个小由于感温元件与全部其它电路都集中在一个小芯片上，传感器的功耗及自热效应，工作温度范围芯片上，传感器的功耗及自热效应，工作温度范围内电路元件的热稳定性，都影响传感器性能，在设内电路元件的热稳定性，都影响传感器性能，在设计、工艺和封装上采用适当措施加以克服。计、工艺和封装上采用适当措施加以克服。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术15 集成温度传感器工作温度范围是集成温度传感器工作温度范围是-50-50150150，具体数值因型号和封装形式不同而有所不同。具体数

12、值因型号和封装形式不同而有所不同。集成电路温度传感器除了作测温元件外，还常集成电路温度传感器除了作测温元件外，还常用于温度补偿元件和温度控制元件。用于温度补偿元件和温度控制元件。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术161 1、电压型集成温度传感器、电压型集成温度传感器 1)1)四端电压输出型四端电压输出型 包括温度敏感部分、参考电压源部分和运放三包括温度敏感部分、参考电压源部分和运放三部分，典型的产品如部分，典型的产品如NSNS的的AN6701AN6701。AN6701AN6701的测量范围为：的测量范围为：-10-1080 80，输出的，输出的电电压灵敏度为：压灵敏度为：11

13、0mV/110mV/。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术17输出极性反转的电路输出极性反转的电路 KVVKVVCCiCC100210020iCCVVV0NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术18应用电路应用电路NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术192)2)三端电压输出型三端电压输出型 三端电压输出型集成温度传感器是一种精密易三端电压输出型集成温度传感器是一种精密易于定标的温度传感器，如于定标的温度传感器，如LM135LM135，LM235LM235，LM335LM335等。等。基本测温电路如图：基本测温电路如图：将测温元件两端与一个电阻将测温元

14、件两端与一个电阻串联，加上适当的电压可得到灵串联，加上适当的电压可得到灵敏度为敏度为10mV/K10mV/K，直接正比绝对温直接正比绝对温度的输出电压。度的输出电压。传感器工作电流由电阻传感器工作电流由电阻R R和和电源电压决定：电源电压决定：IRVVCC0NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术20 如果传感器通过外接电位器的调节可完成温如果传感器通过外接电位器的调节可完成温度定标，以减小因工艺偏差而产生度定标，以减小因工艺偏差而产生的误差，接法如图所示：的误差，接法如图所示：例：例：2525下，调节电位器使输出下，调节电位器使输出电压为电压为2.98V2.98V，经标定，传感器

15、灵敏经标定，传感器灵敏度达到设计值度达到设计值10mV/K10mV/K要求，从而提高要求，从而提高测温精度。测温精度。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术21 在三端电压型温度敏感元件之后，配以一定增在三端电压型温度敏感元件之后，配以一定增益的比例放大器，如增益为益的比例放大器，如增益为12.512.5，则运放输出灵敏，则运放输出灵敏度为度为125mV/125mV/。若。若被测范围为被测范围为0-800-80，则运放输出电压为则运放输出电压为0 010V10V。电路如图：电路如图：NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术222 2、电流型集成温度传感器的应用电路、电

16、流型集成温度传感器的应用电路 电流型集成温度传感器，在一定温度下，相当电流型集成温度传感器，在一定温度下，相当于恒流源，具有不易受接触电阻、引线电阻、噪声于恒流源，具有不易受接触电阻、引线电阻、噪声的干扰，能实现长距离的干扰，能实现长距离(如如200m)200m)传输，同样具有很传输，同样具有很好的线性特性。好的线性特性。ADAD公司的公司的AD590AD590就是典型的例子。就是典型的例子。1)AD5901)AD590的主要性能：的主要性能：电源电压：电源电压：4 430V30V 工作温度；工作温度；-55-150-55-150 温度灵敏系数：温度灵敏系数：长期漂移：土长期漂移：土0.10.

17、1month month KA/1NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术23测温电路测温电路NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术24测温电路的设计测温电路的设计电路的设计要考虑：电路的设计要考虑：(1)(1)将电流转换成电压；将电流转换成电压；(2)(2)将绝对温标转换成摄氏温标。将绝对温标转换成摄氏温标。AD590LAD590L为电流元件，温度升高为电流元件，温度升高1K1K，电流增电流增1uA1uA，将将AD590LAD590L电流通过一个电流通过一个10K10K的电阻，转换成的电阻，转换成10mV/K10mV/K，要求这个的电阻精确，因此用一个要求这个的电阻

18、精确，因此用一个12K(R12K(R1 1)的电阻与的电阻与一个电位器一个电位器(RPRPl l)并联，以准确调节到并联，以准确调节到10K10K。A A1 1接成电压跟随器，增加信号的输入阻抗。接成电压跟随器，增加信号的输入阻抗。A A1 1输出为输出为0.01V/K0.01V/K。便于将电流信号转换成电压信号。便于将电流信号转换成电压信号。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术25 A A2 2把绝对温标转换成摄氏温标。给把绝对温标转换成摄氏温标。给A A2 2的同相端的同相端输入一个恒定的电压，如输入一个恒定的电压，如1.235V1.235V。将这个电压放大将这个电压放大到

19、到2.73V2.73V，A A2 2的闭环增益的闭环增益 取：取：调节调节RP2RP2即可得到这个值。即可得到这个值。取取A A1 1与与A A2 2输出端间的电压，转换成摄氏温标。输出端间的电压，转换成摄氏温标。21.2235.173.2)1(223RRPRK KR12 KR13NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术26 例如：将例如：将AD590AD590放入放入273K(273K(即即0)0)的冰水溶液的冰水溶液中，中，R1R1上两端的压降为：上两端的压降为：这是一个对地的电压。这是一个对地的电压。A A2 2的对地输出电压亦为的对地输出电压亦为2.73V2.73V。因此因

20、此A A1 1与与A A2 2两输两输出端子间的电压为：出端子间的电压为：2.73-2.732.73-2.730V0V，对应于对应于00。VKKKA73.227310/1NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术27调试调试 1)1)电路中所有电阻取金属膜电阻，因它温度系电路中所有电阻取金属膜电阻，因它温度系数较小，温度变化对测温的影响不大；数较小，温度变化对测温的影响不大；2)R2)R1 1和电位器和电位器RPRP1 1并联，调节并联，调节RPRP1 1使并联阻值为使并联阻值为10K10K，保证保证AD590AD590电流在其两端产生电流在其两端产生10mV/K10mV/K的压降；的压降；3)3)调节调节A A2 2的闭环增益；的闭环增益；4)A4)A2 2电路接成后，电路接成后，A A2 2的输出端和的输出端和“地地”间接数间接数字电压表，调节电位器字电压表，调节电位器RPRP2 2，使数字显示为使数字显示为2.73V2.73V。5)A5)Al l与与A A2 2输出端子间的电压转换成输出端子间的电压转换成0.01V/0.01V/。NUST自动化学院自动化学院电气检测技术电气检测技术28小结小结