现代传感技术基础及应用-第5章温度传感器

现代传感技术基础及应用赵学增编著清华大学出版社第五章温度传感器5.1半导体温度传感器5.2红外温度传感器5.3光纤温度传感器温度传感器温度是表征物体或系统冷热程度的一个基本物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。各种材料的性能都随温度变化，从原理上讲，几乎所有材料都能构成温度传感器。但是由于其本身应具有灵敏度高，稳定性好，对温度以外的物理变化不敏感，不易发生热能引起的化学变化的优点。故温度传感器一般是利用材料的热敏特性来实现热—电转换。本章重点介绍半导体温度传感器、非接触式温度传感器、光纤温度传感器。温度传感器根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式：感温元件直接与被测对象相接触，二者进行充分的热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的。（热传导测温）非接触式：利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到测量的目的。（热辐射测温）温度传感器半导体材料的电阻率对温度十分敏感，可利用半导体材料电阻率随温度变化的特征制成半导体温度传感器，可分为单晶非结型、PN结型、集成温度传感器等。5.1.1单晶非结型温度传感器由半导体材料的电子学特征可知，半导体的电阻率主要取决于载流子的浓度和迁移率，而载流子的浓度和迁移率的变化又与温度的变化密切相关。5.1半导体温度传感器5.1半导体温度传感器1.迁移率与温度的关系（如书上的图5-1、5-2）2.电阻率与温度的关系载流子产生3.硅温度传感器的结构4.电阻—温度特性杂质电离本征激发散射结构电离杂质散射晶格散射5.1半导体温度传感器5.1.2PN结型温度传感器半导体材料的PN结的反向漏电流和正向电压与温度变化密切相关，利用某些性能参数对温度的依赖性，可实现温度的检测、控制和补偿。1.二极管温度传感器原理：恒流条件下，二极管电压与温度呈线性关系5.1半导体温度传感器02060100140180220260300FJT1000(100A)FD300(100A)FD200(100A)FD200(10A)温度/K正方向电压/V图5-8硅二极管正向电压的温度特性硅二极管正向电压的温度特性如图所示。显而易见,在40～300K之间有良好的线性。当正向电流一定时,二极管的种类不同,其温度特性也不同,正向电流变化时,温度特性也随之变化。5.1半导体温度传感器2.三极管温度传感器如图5-10，可以看出，它比二极管表现出更好的电压温度特性，所以它可以制成高精度的、超小型的温度传感器，其测温范围为-50-200℃左右。5.1半导体温度传感器5.1.3集成温度传感器集成电路（IC，integratedcircuit）温度传感器是近期开发的，把温度传感器与后续的放大器等用集成化技术制作在同一基片上而成的，集传感与放大为一体的功能器件。这种传感器输出特性的线性关系好，测量精度也比较高，使用方便，越来越受到人们的重视。它的缺点是灵敏度较低。IC温度传感器按输出方式可分为电压型、电流型、频率型。5.1半导体温度传感器IC温度传感器的设计原理是：对于集电极电流比一定的两个晶体管,其UBE之差ΔUBE与温度有关。1.对管差分电路2.电流输出型温度传感器3.电压输出型温度传感器12lnCBECkTIUqI5.1半导体温度传感器21传感器3V＋V－4输入输出50k10mV/K放大器＋－图5-20电压输出型IC温度传感器放大器的原理框图5.2红外温度传感器任何物体只要其自身及周围的温度不是绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射热量，这种能量叫辐射能。当与周围的温度相等时，辐射热量过程处于动平衡状态。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，它不需要任何物质作为媒介（真空中也传播）。物体温度越高，粒子被激励的越强烈，辐射能量越大。5.2红外温度传感器辐射能投射到物体表面上；一部分被物体吸收，一部分被反射，另一部分透过物体。设外界投射到物体表面上的总能量为Q0，吸收QR，反射QP，透射Qt。比值QR/Q0，QP/Q0，Qt/Q0，分别称作该物体的吸收率，反射率和透射率。依次为α，β，τ，根据能量守恒定律，α＋β＋τ＝1，当α＝1，β=τ=0，该物体称为黑体，能量全被吸收。（1）红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在0.75～1000μm的频谱范围之内。5.2红外温度传感器远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.01105波长/μm相对应的频率大致在4×1014～3×1011Hz之间，红外线与可见光、紫外线、x射线、射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。5.2红外温度传感器（2）红外测温的特点①非接触测温。②反应速度快。5.2红外温度传感器③灵敏度高。④准确度较高。⑤测温范围广。⑥应用范围广。5.2红外温度传感器红外测温传感器主要由光学系统、调制器、红外敏感器件、放大器和显示系统组成。微电机驱动调制盘使入射光的辐射功率按一定规律变化，把红外辐射调制成交变辐射，得到易于处理的交流信号输出。5.2红外温度传感器5.2.1红外探测器红外探测器吸收红外辐射后，先引起温度升高。然后由于温度升高，伴随着发生某种物理性质的变化，如温度升高，体积膨胀等。通过测量这些物理性质的变化就可以确定被吸收的红外辐射的能量或者功率。红外辐射的热效应可以用温度或体积的变化来度量，称为热电探测器。热电探测器使入射辐射能作用于晶格。红外辐射作用于敏感元件上，产生光电效应，引起电学性质变化，输出电压信号，称作光电探测器。热电探测器与光电探测器相比：从光谱响应角度看，热电探测器对各种波长都有响应，光电探测器是一种对波长有选择的探测器，仅对具有足够能量的光子有响应，即存在一个波长极限。光电探测器只对它的长波限以下的一段波长区间有响应。光电探测器有较高的灵敏度和较快的响应速度，但响应光谱不及热探测器宽。5.2红外温度传感器5.2红外温度传感器5.2红外温度传感器5.2.2光量子型红外传感器由光电探测器作为敏感元件可以组成光量子型传感器，它是利用光电效应制成的,因而与波长有关。光量子型传感器可以分为光导型、光电（伏特）型、光电磁型、肖特基型。5.2红外温度传感器磁场电场I金属半导体NP红外光红外光I偏置电流(a)(b)(c)(d)图5-26光量子型红外传感器示意图(a)光导型；(b)光电型；(c）光电磁型;（d）肖特基型5.2红外温度传感器⑴光导型结构是电阻体光照后引起阻值变化;⑵光电型为一PN结二极管,其耗尽层上由于光照射生成电子-空穴对,检测由此产生的光电流;⑶光电磁型在加上电场及磁场的同时,由于光照而产生与光强成比例的表层电子-空穴对，向体内扩散，由于洛伦兹力产生电荷积累效应;⑷肖特基型是根据金属与半导体接触形成的肖特基势垒随光照而变化的原理制备的。5.2红外温度传感器5.2.3光电池除光导型外，光电型光电探测器，通常称作光电池。光电池按其结构分为PN结型、肖特基型、异质型。硅光电池应用最为广泛，有高吸收特性、高量子效率。响应波段从可见光到1μm，探测更长波则用锗光电池和铟砷化镓(InGaAs)光电池等。本节课主要介绍PN结型光电池和雪崩型光电池这两种。5.2.2薄膜热电偶热探测器有辐射热电偶、热电堆、热敏电阻及热释电探测器。薄膜热敏器件是20世纪80年代随着集成电路技术中的薄膜工艺发展，以及人们对温度信息获取向超小型化发展而产生的，它替代传统结构型温度传感器，适合于物体表面和小间隙温度检测。5.2红外温度传感器5.2红外温度传感器与光电探测器相比，热电探测器是利用光辐射引起探测器温度上升，使与温度相关的物理量发生变化进行测量的。温度升高是一种能量累积的过程，响应速度较慢，与入射光子能量大小有关，对光谱响应没有选择，对全部的波长有相同的响应度。1.薄膜热电偶工作原理薄膜热电偶是根据塞贝克效应，通过测量由两种薄膜材料组合而产生的热电动势来获取被测温度的，如图P181所示：塞贝克（Seebeck）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。5.2红外温度传感器5.2红外温度传感器5.2红外温度传感器2.BMB-I薄膜热电偶温度传感器图5-34BMB-I薄膜热电偶。它以陶瓷薄片作基体，厚度0.6mm，耐高温1600℃。在陶瓷基片有两φ0.2mm小孔。将φ0.2标准NiCr－NiSi热电偶丝分别嵌入小孔，使其与小孔过渡配合，在陶瓷基片背面用高温无机绝缘胶固定热电偶丝，经过研磨使热电偶端面与陶瓷基片正面平齐，在其上溅射钽（Ta）薄膜，厚度0.7μm，在钽膜片（吸收光辐射）上镀保护膜Si3N4（厚度0.1μm）。5.2红外温度传感器图5-34BMB-I薄膜热电偶其动态响应时间为50μs，线性度好，可在1200℃下长期工作，可快速检测锻模具外壁面、燃气动力机壁面的瞬变温度，此外还可广泛应用于高空大气环境的测量以及沸腾换热表面瞬态温度的快速检测等。5.2红外温度传感器5.2.5热电堆热电堆相当于若干薄膜热电偶串接，结电压相加，提高测温的响应度。由于半导体材料的赛贝克系数比金属材料大，所以它更适合作温度传感器。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产。随着微电子技术的蓬勃发展，提出了微电子机械系统的概念，进而发展了微机械红外热电堆探测器。5.2红外温度传感器5.2红外温度传感器1.热电堆结构为建立热结区与冷结区的有效热传导，需要构建一定的隔热结构，现在主要通过薄膜来实现。应用的薄膜结构有两类，即悬臂梁结构(图ａ)和圆形薄膜结构(图ｂ)。235.2红外温度传感器悬臂梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固定、一端悬空的膜结构，其中膜亦为复合介质膜。热电堆、热结区以及红外吸收区都在膜上。热结位于红外吸收区附近,当吸收红外辐射之后,此处即成为高温区域；冷结区位于硅衬底上,经导热性良好的单晶硅将热迅速散发,形成低温区域。其中圆形薄膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅与氧化硅复合膜。从隔热效果来说，悬梁更具优势，因为这种膜结构的周围是导热性能很差的气氛介质(如空气)，因此热耗散小，热阻高，隔热效果好，同时吸收的热可以沿着膜的方向，也就是热电偶对的方向作有效传导，故热电转换效率较好，灵敏度高；而对封闭膜而言，吸收红外辐射后，热可以沿着介质支撑膜传播，而并不完全沿着热偶对传播，故热耗散较大,热电转换效率低，灵敏度小。5.2红外温度传感器但从工艺制造过程以及成品率角度来说，封闭膜更具优势，因为这种膜结构的优点在于结构稳定，由于膜与基体处处相连，因此受应力影响小，制造过程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造；而悬梁与基体间只通过固支一端相连，另一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低，不易制造。这些薄膜结构都是利用硅的各向异性腐蚀而得到的，腐蚀孔呈金字塔型。5.2.3热电堆从上述分析可以看出，悬梁结构和封闭膜结构各有优缺点，将这两种结构相结合，就可以集中这两种结构的优点，这就是斜拉悬梁支撑膜结构。5.2.3热电堆5.2红外温度传感器5.2.6热释电红外传感器热释电元件和压电陶瓷一样,都是铁电体,如铌酸锶钡、钛酸铅、铌酸钽等,除具有压电效应外,在辐射能量照射下也会放射出电荷。经高输入阻抗的放大电路放大之后,可得到足够大的电信号。但是在连续不断的照射下,它并不能产生恒定的电动势,必须对辐射进行调制,使成为断续辐射,才能得到交变电动势。因此,应该用交流