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第8章 半导体传感器 ; 8.1 半导体温度传感器 ; (2)小型,元件尺寸可做到直径为0.2mm,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。 (3)使用方便,电阻值可在0.1～100kΩ之间任意选择。 半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）,越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化,根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。 ; 热敏电阻的主要参数有: ①标称阻值RH 在环境温度为(25±0.2)℃时测得的阻值,也称冷电阻,单位为Ω。 ②电阻温度系数αt 热敏电阻的温度每变化1℃时,阻值的相对变化率,单位为%/℃。如不作特别说明,是指20℃时的温度系数。 ; ③时间常数τ 它是指热敏电阻从温度为T0的介质中突然移入温度为T的介质中,热敏电阻的温度升高ΔT=0.63(T-T0)所需的时间,单位为s。它表征热敏电阻加热或冷却的速度。 ? ④散热系数H 它是指热敏电阻自身发热使其温度比环境温度高出1℃所需的功率,单位为W/℃或mW/℃。它取决于热敏电阻的形状、封装形式以及周围介质的种类。 ; ⑤最高工作温度Tm 它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度,在该温度下,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。 热敏电阻主要有三种类型,即正温度系数型（PositiveTemperatureCoefficient）（简称PTC型）、负温度系数型（NegativeTemperatureCoefficient）（简称NTC型）和临界温度系数型（CriticalTemperatureResistor）（简称CTR型）。它们的电阻特性如图8.1所示。;图8.1 半导体热敏电阻的温度特性 ; 正温度系数（PTC）型热敏电阻是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大,其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变,有斜率最大的区段,通过成分配比和添加剂的改变,可使其斜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;若将铅换成锶,其居里温度下降。 ; 如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体,还可以制成临界型（CTR）热敏电阻,它是负温度系数型,但在某个温度范围里阻值急剧下降,曲线斜率在此区段特别陡峭,灵敏度极高,其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警电路中。 负温度系数（NTC）型半导体热敏电阻研究最早,生产最成熟,是应用最广泛的热敏电阻之一,通常是一种氧化物的复合烧结体,特别适合于-100～300°C之间的温度测量,其色标标记为绿色。其阻值与温度的关系为 ; 式中,R为温度T时的阻值,单位为Ω;T为温度,单位是K;A,B为取决于材质和结构的常数,其中A的量纲为Ω,B的量纲为K。 由上面的关系式不难得到下式 ; (8.3)式是经验公式,实验表明,无论是用氧化物还是用单晶做成的热敏电阻,在不太宽的温度范围内(小于400℃)都能用上式描述。 这里应该指出,B常数不是固定值,是温度T的函数,即B=f(T),不同厂家生产的热敏电阻B值都不一样,从公式(8.3)可求出B常数 ; 如果被测温度比较低,而且不需要很高的精度时,一般把B看成一个常数,求出温度或热敏电阻的阻值。这时计算温度的公式为 ;图8.2 B常数的温度特性; 热敏电阻的温度系数随温度减小而增大,所以低温时热敏电阻温度系数大,所以灵敏度高,故热敏电阻常用于低温（-100～300°C）测量。 在稳态情况下,热敏电阻上的电压和通过的电流之间的关系,称为伏安特性。热敏电阻的典型伏安特性如图8.3所示。从图中可见,在小电流情况下,电压降和电流成正比,这一工作区是线性区,这一区域适合温度测量。随电流增加,电压上升变缓,曲线呈非线性,这一工作区是非线性正阻区。当电流超过一定值以后,曲线向下弯曲出现负阻特性,称为负阻区。 ;图8.3 热敏电阻的伏安特性 ;