1、5.2 5.2 微型温度传感器微型温度传感器5.2.1 热释电温度传感器5.2.2 PN结温度传感器5.2.3 集成（IC）温度传感器5.2.4 石英振子温度传感器5.2.5 微型温度传感器应用实例5.2.1 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
2、温度的关系5.2.2 PN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。二极管二极管PN结温度传感器结温度传感器基本原理基本原理 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：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。基本特性基本特性 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
3、的关系在相当宽的温域内具有良好的线性，见图5-2a。图5-2 PN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 晶体三极管晶体三极管PN结温度传感器结温度传感器 1.基本原理基本原理 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。5.2.3 集成（IC）温度传感器 集成（IC）温度传感器是指把温
4、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。电压输出型IC温度传感器 其电路原理见图5-3。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）IU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
5、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。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（5-1
6、2）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。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、
7、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 0.41.0V 。该传感器的峰值波长 9.4m，当人体体温为3637时，发出的红外线波长为910m。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。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
8、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050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。图5-8 数字体温表
9、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。图5-9 高精度温度测量仪原理框图Do you have made a progress today?
