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1、第8章 半导体传感器第第8章章 半导体传感器半导体传感器 8.1 半导体温度传感器半导体温度传感器8.2 半导体湿度传感器半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器半导体气体传感器 8.4 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器 第8章 半导体传感器温度传感器的种类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准温度计和工可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为业温度计；按照测量方法又可分为接触式接触式和和非接非接触式触式；按工作原理又可分为；按工作原理又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热热电式电式、辐射式辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。
2、非电测型等。第8章 半导体传感器1 1常用热电阻常用热电阻 范围：范围：-260-260850850；精度：；精度：0.0010.001。改进后可连续工作。改进后可连续工作2000h2000h，失效率小于，失效率小于1 1，使用期为，使用期为1010年。年。2 2管缆热电阻管缆热电阻 测温范围为测温范围为-20-20500500，最高上限为，最高上限为10001000，精度为，精度为0.50.5级。级。接触式温度传感器3 3陶瓷热电阻陶瓷热电阻 测量范围为测量范围为200200+500+500，精度为，精度为0.30.3、0.150.15级。级。4 4超低温热电阻超低温热电阻两种碳电阻，可分别
3、测量两种碳电阻，可分别测量268.8268.8253-272.9253-272.9272.99272.99的的温度。温度。5 5热敏电阻器热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。便宜。接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体
4、的真实温度的前提条件是低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。被测物体的热容量要足够大。第8章 半导体传感器l l辐射高温计辐射高温计 用来测量用来测量 10001000以上高温。分四种：光学高温计、比色高以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光谱高温计光谱高温计 前苏联研制的前苏联研制的YCIYCII I型自动测温通用光谱高温计型自动测温通用光谱高温计,其测量范其测量范围为围为4004006000,6000,它是采用电子化自动跟踪系统它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行保证有
5、足够准确的精度进行自动测量。自动测量。非接触式温度传感器3 3超声波温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快特点是响应快(约为约为10ms10ms左右左右)，方向性强。目前国外，方向性强。目前国外有可测到有可测到5000 5000 的产品。的产品。4 4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBSNBS公司用公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1 1。美国麻省理工学。美国麻省理工学院研制的一种激光温度计，最高温度可达院研制的一种激光温度计，最高温度可达8000800
6、0，专门用于核聚变研究。瑞，专门用于核聚变研究。瑞士士Browa BorerBrowa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)(K)的高温。的高温。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。对象的温度场；连续测量不会产生消
7、耗；反应快等。第8章 半导体传感器 8.1 半导体温度传感器半导体温度传感器 8.1.1 8.1.1 接触型半导体传感器接触型半导体传感器热电阻传感器有两大类：热电阻传感器有两大类：、金属热电阻金属热电阻俗称热电阻（热电阻传感器）；俗称热电阻（热电阻传感器）；、半导体热电阻半导体热电阻俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）基于热电阻效应：基于热电阻效应：电阻率随温度变化发生改变的现象电阻率随温度变化发生改变的现象电阻与温度的关系电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示 R Rt t=R=R0 01
8、+1+（t-tt-t0 0）第8章 半导体传感器1.热电阻传感器热电阻传感器对热电阻材料的要求对热电阻材料的要求：电阻温度系数电阻温度系数要尽可能大，且稳定；要尽可能大，且稳定；电阻率电阻率要高；要高；比热小，亦即热惯性小；比热小，亦即热惯性小；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；良好的工艺性，即特性的良好的工艺性，即特性的复现性好复现性好，便于批量生产。，便于批量生产。第8章 半导体传感器 热电阻传感器热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。
9、目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。1 1、铂热电阻铂热电阻：型号为：型号为WZBWZB，分度号为分度号为BABA1 R1 R0 04646和和BABA2 R2 R0 0100 100。2 2、铜热电阻铜热电阻：型号为：型号为WZGWZG，分度号为，分度号为G G ，R R0 03333 R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2CtCt3 3 其优点：其优点：输出输入特性近似线性；输出输入特性近似线性；工艺性好，价格便宜。工艺性好，价格便宜。其缺点：电阻率小，仅为铂的其缺点：电阻率小，仅为铂的1 16 6，故体积大，热惯性大。，故体积大，热惯性大。当温度高于当温度高于10
10、00C1000C时，易氧化、测量范围小，不适于在时，易氧化、测量范围小，不适于在 腐蚀性介质或高温下工作。腐蚀性介质或高温下工作。3 3、镍热电阻镍热电阻在在-50-502000C2000C范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成R Rt tR R0 011AtAtBtBt2 2 4 4、其他热电阻其他热电阻铟热电阻锰热电阻铟热电阻锰热电阻 碳热电阻碳热电阻 铁热电阻、镍热电阻铁热电阻、镍热电阻 常用热电阻常用热电阻 第8章 半导体传感器习题习题1Pt100Pt100和和Cu50Cu50各代表什么传感器？各代表什么传感器？分别代表铂电阻热电式传感器（分别代表
11、铂电阻热电式传感器（0 0度时电阻值为度时电阻值为100100），铜电阻热电式传感器），铜电阻热电式传感器(0(0摄氏度时电阻值为摄氏度时电阻值为50).50).第8章 半导体传感器2.半导体热敏电阻半导体热敏电阻 热敏电阻是利用某种热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。的性质制成的。工作原理工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）运动（譬如温度升高）,越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁
12、移率发生变化这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化,根根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。在温度传感器中应用最多的有在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热电阻热电阻（如铂、铜电阻（如铂、铜电阻温度计等）和温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40-40350350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。第8章 半导体传感器 (1)(1)灵敏度高灵敏度高,有正、负温
13、度系数和在某一特定温度区域内阻值突有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大变的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大1010100100倍倍以上以上,能检测出能检测出1010-6-6温度变化。温度变化。(2)(2)小型小型,材料加工容易、性能好，材料加工容易、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到直最小的珠状热敏电阻可做到直径为径为0.2mm,0.2mm,能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。生物体血管等处的温度。(3)(3)使用方便使用方便,电阻值可在电阻值可在0.10
14、.1100k100k之间任意选择。使用时，一之间任意选择。使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。（一）半导体热敏电阻主要特点（一）半导体热敏电阻主要特点第8章 半导体传感器(4)稳定性好。稳定性好。商品化产品已有商品化产品已有3030多年历史，加之近年多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.010.01的的小温度范围内，其稳定性可达小温度范围内，其稳定性可达0.0
15、0020.0002的精度。相比的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。之下，优于其它各种温度传感器。(5)原料资源丰富，价格低廉。原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经玻璃封烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。分可贵的特点。第8章 半导体传感器 热敏电阻的种类很多，分类方法也热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：这一重要特性可分为：1
16、 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC）电阻值随温度升高而增大的电阻电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称器，简称PTCPTC热敏阻器热敏阻器。它的主要材。它的主要材料是是由在料是是由在BaTiO3BaTiO3和和SrTiO3SrTiO3为主的成为主的成分中加入少量分中加入少量Y2O3Y2O3和和Mn2O3Mn2O3构成的烧构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大值增大,其色标标记为其色标标记为红色红色。开关型。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变值发生突变,有有斜率最大斜率最大的区段的区段,通过通过成分配比和添加剂的改变成分配比和添加剂的改变,可使其斜可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里率最大的区段处在不同的温度范围里,例如加入适量铅其居里温度升高例如加入适量铅其居里温度升高;若若将铅换成锶将铅换成锶,其居里温度下降。其居里温度下降。（二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 NTCPTCCTR10110210310410510610710804080120160200t/cm图图
