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热电式传感器设计


热电式传感器
热电式传感器是一种能够将温度变化转换成电信号的装置。 它 是利用某些材料或元器件的性能随温度变化的特性进行测温的。 温度 是表征物体冷热程度的物理量。 它反映物体内部各分子运动平均动能 的大小。温度可以利用物体的某些物理性质(电阻、电势、等)随着 温度变化的特征进行测量。测量方法按作用原理分接触式和非接触 式。接触式传感器接触温度场,二者进行热交换。 (热

电偶、热电阻 温度传感器) 测温范围在-250——1800 度, 。 适用于远距离多点测量。 一、热电偶传感器 热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。 这是 因为热电偶具有性能稳点、 测温范围大、 信号可以远距离传输等特点, 并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换成电信号,并 且输出直流电压信号,使得显示、记录和传输都很容易。 热点偶传感器的原理: 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成 一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度 为 T,称为工作端或热端,另一端温度为 TO,称为自由端(也称参考 端)或冷端,则回路中就有电流产生。这种由于温度不同而产生电动 势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一,当有 电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量(取决于电 流的方向),称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的 导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向),

称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶 的热电势 EAB(T,T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是 指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体 或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是 指同一导体或 半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性 质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的 温度分布无 关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端 点的电子数不同而产生的电势,热电偶测量的热电势是二者的合成。 对△T 的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系数。塞贝克系数的符 号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测量装置。 为了适 应不同生产对象的测温要求和条件, 热电偶的结构形式有普通型热电 偶、铠装型的热电偶和薄膜热电偶等等。在实际应用中,冷端温度往 往不为 0 度, 所以必须对冷端温度进行处理, 以消除冷端温度的影响。 二、温度传感器 温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切 相关。温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。温度传感器 的市场份额大大超过了其他的传感器。 非接触式测温方法是应用物体 的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。 物体辐射能量的大小与温 度有关, 当选择合适的接收检测装置时, 便可测得被测对象发出的 热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号, 实现温度的测量。 在半导体技术的支持下,相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度

传感器和集成温度传感器。温度传感器有四种主要类型:热电偶、热 敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和 IC 温度传感器。IC 温度传感器又 包括模拟输出和数字输出两种类型。 1、接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触,又称 温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能 直接表示被测对象的温度。 一般测量精度较高。 在一定的测温范围内, 温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容 量很小的对象则会产生较大的测量误差,常用的温度计有双金属温度 计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差 电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人 们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶 金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研 究,测量 120K 以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度 计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温 热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度 高、复现性和稳定性好。 2、非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,又称 非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量 小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温 度分布。 非接触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制, 因而对最高可测温度原则上没有限制。对于 1800℃以上的高温,主要 采用非接触测温方法。随着红外技术的发展,辐射测温逐渐由可见光

向红外线扩展,700℃以下直至常温都已采用,且分辨率很高。最常用 的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。 辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测 出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐 射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实 温度,则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取 决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此 很难精确测量。 在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控 制某些物体的表面温度,如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件 温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中 的温度。 在这些具体情况下, 物体表面发射率的测量是相当困难的。 对于固体表面温度自动测量和 控制,可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。非接 触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可 测温度原则上没有限制。对于 1800℃以上的高温,主要采用非接触 测温方法。随着红外技术的发展,辐射测温。 为了实现以频率输出为信号的气象温度测量,提出了一种基于 双层悬臂梁的谐振式微温度传感器。 基于双悬臂梁不同材料热膨胀系 数的差异会导致悬臂梁谐振频率偏移的原理,采用压电方式同时实现 悬臂梁的驱动及其谐振频率的检测,从而实现温度的测量。 三、智能温度传感器发展的新趋势

进入 21 世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标 准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片 测温系统等高科技的方向迅速发展。 1、 提高测温精度和分辨力 在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智 能温度传感器,采用的是 8 位 A/D 转换器,其测温精度较低,分辨力只 能达到 1℃。目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温 度传感器,所用的是 9~12 位 A/D 转换器,分辨力一般可达 0.5~0.0625℃。 2、增加测试功能 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增 强。智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和 开发多路温度测控系统创造了良好条件。 智能温度传感器都具有多种 工作模式可供选择,主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模 式,有的还增加了低温极限扩展模式,操作非常简便。 对某些智能温度 传感器而言,主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来 设定其 A/D 转换速率,分辨力及最大转换时间。 智能温度控制器是在 智能温度传感器的基础上发展而成的。 3、 可靠性及安全性设计 传统的 A/D 转换器大多采用积分式或逐 次比较式转换技术,其噪声容限低,抑制混叠噪声及量化噪声的能力 比较差。 新型智能温度传感器普遍采用了高性能的 Σ -Δ 式 A/D 转换 器,它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数 字信号,再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术,来提高有效分辨

力。Σ -Δ 式 A/D 转换器不仅能滤除量化噪声,而且对外围元件的精 度要求低。 四、半导体温度传感器测温原理及其关键技术 硅基 IC 电路中,可实现温度传感功能的元器件主要有集成电阻 器、二极管、双极晶体管、MOS 晶体管。当然,还有各种利用 MEMS 工 艺制造的热敏电阻器、热电偶等,但目前基本上还与 CMOS 工艺不兼 容。 1、双极晶体管温度传感器 二极管的电流包括扩散电流和耗尽层、 表面层里的产生复合电流, 后者在双极晶体管的基极互相抵消,所以,正向偏置的双极晶体管的 集电极电流 IC 基本上都是纯扩散电流,若利用高精度电流源,令 2 个 匹配晶体管的集电极电流相同,Δ VBE 将和绝对温度成正比。但这样 得到的温度电压曲线起点是绝对零度,对于-50~150℃的测温范围, 电压输出不是 0~5V,对于后端 A/D 来说,需要额外的电平移动电路。 通过构造 Vf=aVptat-VBE1 和 Vref=VBE1+aVptat 可以得到任意的过零 点 TZ 以及几乎不随温度变化的恒压源。采用 BJT 的优点是低成本、 长期稳定性、高灵敏度、可预测性较高,以及相关温度的时间非依赖 性。缺点是受自生成熟、工艺容差的影响,以及热循环后信号有小漂 移和小数量级的非线性。为了工艺兼容,需要采用寄生三极管技术实 现,主要有 2 种结构:纵向双极晶体管,横向双极晶体管。 2、CMOS 温度传感器

利用 CMOS 构建温度传感器一般有 2 种途径。其一是利用 MOS 管 的亚阈值区构造 MOS 管的 PTAT,灵敏度可达 1.32mV/℃,但对偏置源的 依赖有 100mV/V,且高温下会产生漏电,因对阈值电压 VT 依赖大,在高 性能要求时,必须有大范围的微调和校准,不具备长期稳定性;另一途 径是通过强反型状态下,MOS 管的载流子迁移率 μ 与 VT 和温度的关 系加以测量。基于此有 5 种设计方案:即只基于 μ 随温度的改变;只 基于 VT 随温度的改变;同时考虑 VT 和 μ 2 个变量;利用 MOS 器件的零 温度系数点,以及利用逻辑门延时随温度增加的原理来构建的数字环 振。CMOS 温度传感器和基于寄生 BJT 的温度传感器相比的主要优势 在于模型精确,受封装影响小,在 AC 电源下衬底漏电小,且占用芯片 面积小等优势,但其主要的缺点是受工艺波动的影响要大于后者,所 以,产业界目前仍普遍采用 CVBT 技术。 3、半导体温度传感器 输出方式采用模拟输出的温度传感器需要外加线性化电路及校 准,因此,会使成本增加。而数字化接口或频率输出能使性能更可靠, 即使在量产时仍能保持其精确度。 频率输出通常采用的方法是做一个 环形振荡器或张驰振荡器。前者会受 VDD 变化的影响,而后者理论上 与 VDD 无关。两者都基于相同的原理,通过对电容器的充放电产生振 荡,充放电电流来源于某个温度敏感元件。 为了数字接口输出,有通过 片上计数器实现,其主要缺点是面积大;另一种方案是采用片上集成 A/D,然后,通过 I2C 等总线协议输出。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛 用于工农业生产、 科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。 热电式传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制 成的。 热电式传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋 势。该领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,随着新一代 热电式传感器的开发和产业化,竞争也将变得日益激烈。

致谢 李娜老师


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