第6章熱電式傳感器技術

6.1熱電阻式溫度傳感器6.2

PN結型溫度傳感器6.3熱電偶傳感器6.4輻射式溫度傳感器6.5薄膜熱傳感器6.6集成溫度傳感器 6.1熱電阻式溫度傳感器

6.1.1金屬熱電阻傳感器

1.熱電阻類型

1)鉑熱電阻

鉑易于提純、復制性好，在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理性質和化學性質穩(wěn)定；但在還原性介質中，特別是在高溫下，很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所沾污，致使鉑絲變脆，并改變了它的電阻與溫度的關系。此外，鉑是一種貴金屬，價格較貴，盡管如此，從對熱電阻的要求來衡量，鉑在極大的程度上能滿足上述要求，所以，仍然是制造基準熱電阻、標準熱電阻和工業(yè)用熱電阻的最好材料。至于它在還原性介質中不穩(wěn)定的特點可用保護套管設法避免或減輕。鉑電阻溫度計的使用范圍是－200℃～850℃，鉑熱電阻和溫度的關系如下：在－200℃～0℃的范圍內(6.1.1)在0～850℃的范圍內(6.1.2)式中，Rt—溫度為t時的阻值；

R0—溫度為0℃時的阻值；

A—常數(shù)，為3.90802×10–3℃－1；

B—常數(shù)，為－5.802×10–7℃－2；

C—常數(shù)，為－4.27350×10－12℃－4。

2)銅熱電阻

銅熱電阻的溫度系數(shù)比鉑大，價格低，而且易于提純，但存在著電阻率小，機械強度差等弱點。在測量精度要求不是很高，測量范圍較小的情況下，經(jīng)常采用。

銅熱電阻在－50℃～150℃的使用范圍內其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，可表示為Rt=R0(1+αt)(6.1.3)式中，Rt為t時的阻值；R0為0℃時的阻值；α為銅電阻的電阻溫度系數(shù)，α=4.25～4.28×10-3／℃。

2.熱電阻的結構

熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成，其結構如圖6.1.1所示。電阻體的主要由電阻絲、引出線、骨架等部分組成。圖6.1.1熱電阻的結構

1)電阻絲

由于鉑的電阻率較大，而且相對機械強度較大。通常鉑絲的直徑在0.03～0.07mm±0.005mm之間，可單層繞制。若鉑絲太細，電阻體可做得小，但強度低；若鉑絲粗，雖強度大，但電阻體大了，熱惰性也大，成本高。由于銅的機械強度較低，電阻絲的直徑需較大，一般為0.1mm±0.005mm的漆包銅線或絲包線分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆而成。由于銅電阻的溫度低，故可以重疊多層繞制，一般多用雙繞法，即兩根絲平行繞制，在末端把兩個頭焊接起來，這樣，工作電流從一根熱電阻絲進入，從另一根絲反向出來，形成兩個電流方向相反的線圈，其磁場方向相反，產(chǎn)生的電感就互相抵消，故又稱無感繞法。這種雙繞法也有利于引線的引出。

2)骨架

熱電阻線是繞制在骨架上的，骨架是用來支持和固定電阻絲的。骨架應使用電絕緣性能好、高溫下機械強度高、體膨脹系數(shù)小、物理化學性能穩(wěn)定、對熱電阻絲無污染的材料制造。常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。

3)引線

引線的直徑應當比熱電阻絲大幾倍，盡量減小引線的電阻，增加引線的機械強度和連接的可靠性。對于工業(yè)用的鉑熱電阻，一般采用1mm的銀絲作為引線；對于標準的鉑熱電阻則可采用0.3mm的鉑絲作為引線；對于銅熱電阻則常用0.5mm的銅線。

在骨架上燒制好熱電阻絲，并焊好引線之后，在其外面加上云母片進行保護，再裝入外保護套管中，并和接線盒或外部導線相連接，即得到熱電阻傳感器。

3.熱電阻傳感器的測量電路

熱電阻傳感器的測量電路常用電橋電路。由于工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，離控制室較遠，因此，熱電阻的引線對測量結果有較大影響。為了減小或消除引線電阻的影響，目前，熱電阻引線的連接方式經(jīng)常采用三線制和四線制，如圖6.1.2所示。圖6.1.2熱電阻傳感器的測量電路(a)三線制；(b)四線制

1)三線制

在電阻體的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式稱為三線制。當熱電阻和電橋配合使用時，這種引線方式可以較好地消除引線電阻的影響，提高測量精度，所以，工業(yè)熱電阻多半采用這種方法。

2)四線制

在電阻體的兩端各連接兩根引線稱為四線制。這種引線方式不僅消除連接線電阻的影響，而且可以消除測量電路中寄生電勢引起的誤差。這種引線方式主要用于高精度溫度測量。6.1.2半導體熱敏電阻傳感器

1.特性

熱敏電阻的主要特性有溫度特性和伏安特性。

1)溫度特性

熱敏電阻按其性能可分為：負溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻、正溫度系數(shù)PTC型熱敏電阻和臨界溫度CTR型熱敏電阻三種類型。NTC型、PTC型、CTR型三類熱敏電阻的特性如圖6.1.3所示，半導體熱敏電阻就是利用這種性質來測量溫度的。現(xiàn)以負溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻為例進行說明。圖6.1.3三類熱敏電阻的特性用于測量的NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內，其電阻—溫度特性關系為(6.1.4)式中，RT、R0為溫度T、T0時的電阻值；T為熱力學溫度；β為熱敏電阻材料常數(shù)，一般取2000K~6000K；可由下式表示電阻溫度系數(shù)為若β=4000K，T=323.15K(50℃)，則α=－3.8%／℃。可見，α、β是表征熱敏電阻材料性能的重要參數(shù)。

2)伏安特性

我們把靜態(tài)情況下熱敏電阻上的端電壓與通過熱敏電阻的電流之間的關系稱為伏安特性，它是熱敏電阻的重要特性，如圖6.1.4所示。

由圖6.1.4可見，熱敏電阻只有在小電流范圍內，端電壓和電流成正比。因為，電壓低時電流也小，溫度沒有顯著升高，它的電流和電壓關系符合歐姆定律；但當電流增加到一定數(shù)值時，元件由于溫度升高而阻值下降，故電壓反而下降，因此，要根據(jù)熱敏電阻的允許功耗來確定電流，在測溫中電流不能選得太高。圖6.1.4熱敏電阻伏安特性

2.熱敏電阻的主要參數(shù)

選用熱敏電阻除要考慮其特性、結構形式、尺寸、工作溫度以及一些特殊要求外，還要重點考慮熱敏電阻的主要參數(shù)，它不僅是設計的主要依據(jù)，同時對熱敏電阻的正確使用有很強的指導意義。熱敏電阻的主要參數(shù)如下：

(1)標稱電阻值RH是指環(huán)境溫度為25℃±0.2℃時測得的電阻值，又稱冷電阻，單位為Ω。

(2)耗散系數(shù)H是指熱敏電阻的溫度變化與周圍介質的溫度相差1℃時，熱敏電阻所耗散的功率，單位為W／℃。在工作范圍內，當環(huán)境溫度變化時，H隨之而變。此外，H大小還和電阻體的結構、形狀及所處環(huán)境(如介質、密度、狀態(tài))有關，因為這些會影響電阻體的熱傳導。

(3)電阻溫度系數(shù)α是指熱敏電阻的溫度變化1℃時，阻值的變化率。通常指溫標為20℃時的溫度系數(shù)，單位為%／℃。

(4)熱容量C是指熱敏電阻的溫度變化1℃時，所需吸收或釋放的能量，單位為J／℃。

(5)能量靈敏度G是指熱敏電阻的阻值變化1%時所需耗散的功率，單位為W。與耗散系數(shù)H，電阻溫度系數(shù)α之間的關系如下：(6.1.7)

(6)時間常數(shù)τ是指溫度為T0的熱敏電阻，在忽略其通過電流所產(chǎn)生熱量的作用下，突然置于溫度為T的介質中，熱敏電阻的溫度增量達到ΔT=0.63(T～T0)時所需的時間。它與電容C和耗散系數(shù)H之間的關系如下：

(7)額定功率P是指熱敏電阻在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負荷所允許的消耗功率。在此功率下，阻體自身溫度不會超過其連續(xù)工作時所允許的最高溫度，單位為W。

3.熱敏電阻的特點

熱敏電阻同其他測溫元件相比具有以下特點：

(1)靈敏度高。半導體的電阻溫度系數(shù)比金屬大，一般是金屬的十幾倍，因此可大大降低對儀器、儀表的要求。

(2)體積小、熱慣性小、結構簡單，可根據(jù)不同要求，制成各種形狀。

(3)化學穩(wěn)定性好、機械性能強、價格低廉、壽命長。

(4)熱敏電阻的缺點是復現(xiàn)性和互換性差、非線性嚴重、測溫范圍較窄（目前只能達到－50℃～300℃）。

4.熱敏電阻的應用

由于熱敏電阻具有許多優(yōu)點，因此應用范圍很廣，可用于溫度測量、溫度控制、溫度補償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動增益調整、氣體和液體分析、火災報警、過負荷保護等方面。下面介紹幾種主要用法。

1)溫度測量

圖6.1.5所示是熱敏電阻測溫原理圖，測溫范圍為－50℃～300℃，誤差小于±0.5℃。圖中S1為工作選擇開關，“0”、“1”、“2”分別為電壓斷開、校正、工作三個狀態(tài)。工作前，根據(jù)開關S2選擇量程，將開關S1置于“1”處，調節(jié)電位計Rw使檢流計G指示滿刻度，然后將S1置于“2”，熱敏電阻被接入測量電橋進行測量。圖6.1.5熱敏電阻測溫原理圖

2)溫度補償

儀表中通常用的一些零件，多數(shù)是用金屬絲制成的，例如線圈、線繞電阻等。金屬一般具有正的溫度系數(shù)，采用負的溫度系數(shù)熱敏電阻進行補償，可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。實際應用時，將負溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補償元件串聯(lián)，如圖6.1.6所示。圖6.1.6儀表中溫度補償

3)溫度控制

用熱敏電阻與一個電阻相串聯(lián)，并加上恒定的電壓，當周圍介質溫度升到某一數(shù)值時，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?。因此，可以用繼電器的繞阻代替不隨溫度變化的電阻；當溫度升高到一定值時，繼電器動作，繼電器的動作反應了溫度的大小，所以熱敏電阻可用作溫度控制。

4)過熱保護

過熱保護分直接保護和間接保護。對小電流場合，可把熱敏電阻直接串入負載中，防止過熱損壞以保護器件；對大電流場合，可通過繼電器、晶體管電路等保護。不論哪種情況，熱敏電阻都與被保護器件緊密地結合在一起，充分熱交換，一旦過熱，起保護作用，圖6.1.7為幾種過熱保護實例。圖6.1.7幾種過熱保護實例(a)電機保護；(b)變壓器保護；(c)晶體管保護

6.2

PN結型溫度傳感器

6.2.1二極管溫度傳感器

1.工作原理

由PN結理論可知，對于理想二極管，只要UF大于幾個k0T／q，其正向電流IF與正向電壓UF和溫度T之間的關系可表示為(6.2.1)式中，k0為波耳茲曼常數(shù)；q為電子電荷，q=1.6×10－19C；T為絕對溫度，單位為K；IS為飽和電流。(6.2.2)式中，α為與溫度無關的常數(shù)；γ為與遷移率有關的常數(shù)(一般γ=1.5~3)；Eg0為0K溫度時材料的禁帶寬度，單位為eV。由式(6.2.1)和式(6.2.2)可得(6.2.3)式中，Ug0=Eg0／q。上式給出了二極管的正向電壓UF與溫度T之間的關系。在一定的電流下，隨著溫度的升高，正向電壓將下降，表現(xiàn)出負的溫度系數(shù)。

溫度傳感器總是從某一溫度起開始工作。如果在某已知的溫度(如室溫)T1下，工作電流為IF1，那么，相應的正向電壓UF1應滿足：(6.2.4)由式(6.2.4)減式(6.2.3)，整理得(6.2.5)

式(6.2.5)是理想二極管的正向電壓與溫度之間關系的另一種表達方式。由半導體理論可知，對于實際的二極管來說，只要它們工作在PN結空間電荷區(qū)中的復合電流和表面漏電流可以忽略、而又未發(fā)生大注入效應的電壓和溫度的范圍內，它們的特性就與理想模型相符，因此，式(6.2.1)、式(6.2.3)、式(6.2.5)就可用來描寫它們的電流—電壓及溫度特性。研究表明，對于鍺和硅二極管，在相當寬的一個溫度范圍內，其正向電壓與溫度之間的關系符合式(6.2.4)和式(6.2.5)，所以，根據(jù)它們就可以制造溫敏二極管，通過對其正向電壓的測量，實現(xiàn)對溫度的檢測。

2.基本特性

1)UF－T關系

對于不同的工作電流，溫敏二極管的UF－T關系也將不同，圖6.2.1給出了國產(chǎn)2DWM1型(遼寧寬甸晶體管廠生產(chǎn))硅溫敏二極管恒流下的UF－T特性。可以看出，在－50～+150℃范圍內，其UF－T之間具有良好的線性關系。圖6.2.1

2DWM1型硅溫敏二極管的UF－T特性

2)靈敏度特性

溫敏二極管的靈敏度定義為正向電壓對溫度的變化率。將式(6.2.5)對T求偏導，可得靈敏度表達式為(6.2.6)由式(6.2.6)可知，溫敏二極管的靈敏度為負值，且與常數(shù)r、溫度T及電流IF有關。當IF=IF1時，靈敏度表達式為(6.2.7)

從式(6.2.7)中不難看出，當IF恒定不變時，|S|隨溫度增加而緩慢遞增；當T=T1時，式(6.2.7)變?yōu)?6.2.8)

由式(6.2.8)可知，對于給定的溫敏二極管，只要工作在恒定電流下，在某已知溫度T1下的靈敏度S1就僅取決于電流IF1(或正向電壓UF1)的大小。

3.典型應用

利用溫敏二極管的UF－T關系及其自熱特性，已制成了各種溫度傳感器、換能器以及溫度補償器等，圖6.2.2給出了一個典型應用實例。這是一種簡易溫度調節(jié)器，用于液氮氣流式恒溫器中77～300K范圍的溫度調節(jié)控制。VT是溫度檢測元件，采有鍺溫敏二極管，調節(jié)Rw1，可使流過VT的電流保持在50μA左右。比較器采用集成運算放大器μA741，其輸入電壓為Ur和Ux。Ur為參考電壓，由Rw2調整給定，所要設定的溫度也由Ur給定。Ux隨溫敏二極管的溫度變化而變化，而比較器的輸出按差分電壓的變化而變化，并驅動由晶體管構成的電流控制器，控制加熱器加熱。該溫度調節(jié)器在30min內，控溫精度約±0.1℃。圖6.2.2簡易溫度調節(jié)器電路6.2.2晶體管溫度傳感器

1.工作原理

二極管作為溫敏器件是利用PN結在恒定電流條件下，其正向電壓與溫度之間的近似線性關系，這種關系對擴散電流成立。但是，對于實際的二極管，其正向電流除擴散電流成分外，還包括空間電荷區(qū)中的復合電流成分和表面復合電流成分，后兩個電流成分與溫度的關系不同于擴散電流成分與溫度的關系，因此，實際二極管的電壓—溫度特性將偏離理想情況，采用晶體管代替二極管作為溫敏器件可以很容易解決這個問題。在發(fā)射結正向偏置條件下，雖然發(fā)射極電流包括上述三種成分，但只有其中的擴散電流成分能夠到達集電極形成集電極電流，而另兩個電流成分則作為基極電流漏掉，并不到達集電極。根據(jù)晶體管原理，處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管，其發(fā)射極電流和發(fā)射結電壓能很好地符合下面關系(6.2.9)式中，Ie為發(fā)射極電流；UBE為發(fā)射結壓降；Ise為發(fā)射結的反向飽和電流。因為在室溫時，k0T/q=36mV左右，因此，在一般發(fā)射結正向偏置的條件下，都能滿足UBE>>k0T/q的條件，這時上式可以近似為(6.2.10)令為常數(shù)，則(6.2.12)

2．基本特性

1)靈敏度

由式(6.2.12)可知，溫度T與發(fā)射結壓降UBE有對應關系，我們可根據(jù)這一關系通過測量UBE來測量溫度T值，且在溫度不太高的情況下，兩者近似成線性關系，其靈敏度為常數(shù)(6.2.13)

2)UBE與Ic的溫度特性

圖6.2.3為硅半導體晶體管的基極—發(fā)射極間電壓UBE

和集電極電流Ic關系的溫度特性。圖6.2.3

UBE與Ic的溫度特性

3.典型應用

圖6.2.4(a)給出了一種最常用的溫敏晶體管基本電路。溫敏晶體管作為負反饋元件跨接在運算放大器的反相輸入端和輸出端，同時基極接地，電路的這種接法使得發(fā)射結為正偏，而集電結幾乎為零偏，因為集電極與“虛地”的反相輸入端相接。零偏的集電結使得集電極電流中不需要的成分——集電結空間電荷區(qū)中的生成電流、反向飽和電流及表面漏電流為零。而發(fā)射極電流中的發(fā)射結空間電荷區(qū)復合電流和表面漏電流作為基極電流流入地內，因此，集電極電流完全由擴散電流成分組成。集電極電流Ic的大小僅取決于集電極電阻Rc和電源電壓UCC，而與溫度無關，從而保證了溫敏晶體管處于恒流工作狀態(tài)。電容C1的作用在于防止寄生振蕩。圖6.2.4(b)給出了這個電路的輸出，即UBE與溫度T的關系的實驗結果。三條曲線對應著不同的集電極電流值，且小電流對應著較大的電壓溫度系數(shù)。由圖還可以看出，溫度系數(shù)對電流的依賴性并不十分強烈，這是因為UBE是Ic的對數(shù)函數(shù)。圖6.2.4溫敏晶體管的基本電路及其輸出特性

(a)基本電路；(b)輸出特性

6.3熱電偶傳感器

6.3.1熱電偶測溫原理

1.熱電偶的特點

1)溫度測量范圍寬

隨著科學技術的發(fā)展，目前熱電偶的品種較多，它可以測量-271℃~+2800℃以至更高的溫度。

2)性能穩(wěn)定、準確可靠

在正確使用的情況下，熱電偶的性能是很穩(wěn)定的，其精度高，測量準確可靠。

3)信號可以遠傳和記錄

由于熱電偶能將溫度信號轉換成電壓信號，因此，可以遠距離傳遞，也可以集中檢測和控制。此外，熱電偶的結構簡單、使用方便，其測量端能做得很小，因此，可以用它來測量“點”的溫度；又由于它的熱容量小，因此反應速度很快。

2.熱電偶的分類

1)按熱電偶材料分類

有廉金屬、貴金屬、難熔金屬和非金屬四大類。廉金屬中有：鐵－康銅、銅－康銅、鎳鉻—考銅、鎳鉻—康銅、鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)等；貴金屬中有：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、有鉑銠系以及銥銠系、銥釕系和鉑銥系等；難熔金屬中有：鎢錸系、鎢鉬系、銥鎢系和鈮鈦系等；非金屬中有：二碳化鎢—二碳化鉬、石墨—碳化物等。

2)按用途和結構分類

熱電偶按照用途和結構分為普通工業(yè)用和專用兩類。普通工業(yè)用的熱電偶分為直形、角形和錐形(其中包括無固定裝置、螺紋固定裝置和法蘭固定裝置等品種)。專用的熱電偶分為鋼水測溫的消耗式熱電偶、多點式熱電偶和表面測溫熱電偶等。

3.熱電偶的測溫原理

熱電偶測溫是基于熱電效應。在兩種不同的導體(或半導體)A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個接點的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個電動勢，通常我們稱這種電動勢為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應，如圖6.3.1所示。

在圖6.3.1所示的回路中，兩種絲狀的不同導體(或半導體)組成的閉合回路，稱之為熱電偶。導體A或B稱之為熱電偶的熱電極或熱偶絲。熱電偶的兩個接點中，置于溫度為T的被測對象中的接點稱之為測量端，又稱工作端或熱端；而溫度為參考溫度T0的另一接點稱之為參比端或參考端，又稱自由端或冷端。圖6.3.1熱電偶

1)接觸電勢

接觸電勢就是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢，又稱帕爾貼(Peltier)電勢。在兩種不同導體A、B接觸時，由于材料不同，兩者有不同的電子密度，如NA＞NB，則在單位時間內，從導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)比相反方向的多，即自由電子主要從導體A擴散到導體B，這時A導體因失去電子而帶正電，B導體因得到電子而帶負電，如圖6.3.2所示，因此，在接觸面上形成了自A到B的內部靜電場，產(chǎn)生了電位差，即接觸電勢。但它不會不斷增加，而是很快地穩(wěn)定在某個值。這是因為，由電子擴散運動而建立的內部靜電場或電動勢將產(chǎn)生相反方向的飄移運動，加速了電子在反方向的轉移，使從B到A的電子速率加快，并阻止電子擴散運動的繼續(xù)進行，最后達到動態(tài)平衡，即單位時間內從A擴散的電子數(shù)目等于反方向飄移的電子數(shù)目，此時，在一定溫度(T)下的接觸電勢EAB(T)也就不發(fā)生變化而穩(wěn)定在某個值，其大小可表示為圖6.3.2接觸電勢

2)溫差電勢

溫差電勢是在同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢，又稱湯姆遜(Thomson)電勢。設導體兩端的溫度分別為T和T0(T>T0)，由于高溫端(T)的電子能量比低溫端(T0)的電子能量大，因而，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的電子數(shù)要多，結果高溫端失去了電子而帶正電荷，低溫端得到了電子而帶負電荷，從而形成了一個從高溫端指向低溫端的靜電場。此時，在導體的兩端就產(chǎn)生了一個相應的電勢差，這就是溫差電勢，如圖6.3.3所示，其大小可根據(jù)物理學電磁場理論得圖6.3.3溫差電勢

3)熱電偶回路的熱電勢

金屬導體A、B組成熱電偶回路時，總的熱電勢包括兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，即(6.3.4)由于溫差電勢比接觸電勢小，又T>T0，因此在總電勢EAB(T，T0)中，以導體A、B在T端的接觸電勢所占的比重最大，故總電勢的方向取決于該方向，這樣對上式進行整理可得(6.3.5)由上式可知，熱電偶總電勢與電子密度NA、NB及兩接點溫度T、T0有關。電子密度不僅取決于熱電偶材料的特性，且隨溫度的變化而變化，它并非是常數(shù)，所以，當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電勢成為溫度T和T0的函數(shù)差，即(6.3.6)如果使冷端溫度T0固定，則對一定材料的熱電偶，其總電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關系，即(6.3.7)式中，C為固定溫度T0決定的常數(shù)。由此可得有關熱電偶的幾個結論：

(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總的熱電勢為零。

(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點溫度相等，即T=T0，則回路總電勢為零。

(3)熱電偶A、B的熱電勢只與結點溫度有關，與材料A、B的中間各處溫度無關。

4.熱電偶基本定律

1)均質導體定律

由一種均質導體或半導體組成的閉合回路，不論其截面、長度如何以及各處的溫度如何分布，都不會產(chǎn)生熱電勢，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。

2)中間導體定律

在熱電偶回路中，接入第三種導體C，如圖6.3.4所示，只要這第三種導體兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢保持不變，即第三種導體C的引入對熱電偶回路的總電勢沒有影響。熱電偶回路接入中間導體C后熱電偶回路的總熱電勢為圖6.3.4接入導體C的熱電偶回路(6.3.8)因為(6.3.9)

同理，熱電偶回路中接入多種導體后，只要保證接入的每種導體的兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電勢沒影響。根據(jù)熱電偶的這一性質，可以在熱電偶的回路中引入各種儀表和連接導線等。例如，在熱電偶的自由端接入一只測量電勢的儀表，并保證兩個接點的溫度相等，就可以對熱電勢進行測量，而且不影響熱電勢的輸出。(6.3.10)根據(jù)這一定律，只要給出自由端為0℃時的熱電勢和溫度關系，就可以求出冷端為任意溫度T0的熱電偶熱電勢，即(6.3.11)圖6.3.5標準電極6.3.2熱電極材料及常用熱電偶

1.熱電極材料

根據(jù)上述熱電偶的測溫原則，理論上任何兩種導體均可配成熱電偶，但因實際測溫時對測量精度及使用等有一定要求，故對制造熱電偶的熱電極材料也有一定要求，除滿足上述對溫度傳感器的一般要求外，還應注意如下要求：

(1)在測溫范圍內，熱電性質穩(wěn)定，不隨時間和被測介質變化，物理化學性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕。

(2)導電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小。

(3)它們組成的熱電偶，熱電動勢隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測溫范圍內接近常數(shù)。

(4)材料的機械強度要高，復制性要好，復制工藝要簡單，價格便宜。

2.標準熱電偶

1)鉑銠10—鉑熱電偶(S型)

這是一種貴金屬熱電偶，由直徑為0.5mm以下的鉑銠合金絲(鉑90%，銠10%)和純鉑絲制成。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故這種熱電偶的復制精度和測量準確度較高，可用于精密溫度測量。在氧化性或中性介質中具有較好的物理化學穩(wěn)定性，在1300℃以下范圍內可長時間使用。其主要缺點是金屬材料的價格昂貴，熱電勢小，而且熱電特性曲線非線性較大；在高溫時，易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質，失去測量準確度。

2)鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)

它也是貴金屬熱電偶，長期使用的最高溫度可達1600℃，短期使用可達1800℃，它宜在氧化性和中性介質中使用，在真空中可短期使用。它不能在還原性介質及含有金屬或非金屬蒸汽的介質中使用，除非外面套有合適的非金屬保護管才能使用。它具有鉑銠10—鉑的各種優(yōu)點，其抗污染能力強。其主要缺點是靈敏度低、熱電勢小，因此冷端在40℃以上使用時，可不必進行冷端溫度補償。

3)鎳鉻—鎳硅(鎳鉻—鎳鋁)熱電偶(K型)

由鎳鉻與鎳硅制成，熱偶絲直徑一般為1.2～2.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負極，該熱電偶化學穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質中長時間地測量900℃以下的溫度，短期測量可達1200℃；如果用于還原性介質中，就會很快地受到腐蝕，在此情況下，只能用于測量500℃以下溫度。這種熱電偶具有復制性好、產(chǎn)生熱電勢大、線性好、價格便宜等優(yōu)點，雖然測量精度偏低，但完全能滿足工業(yè)測量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。

4)鎳鉻—康銅熱電偶(E型)

其正極為鎳鉻合金，成分為9%～10%的鉻，0.4%的硅，其余為鎳；負極為康銅，成分為56%的銅，44%的硅。鎳鉻—康銅熱電偶的熱電勢是所有熱電偶中最大的，如EA(100.0)=6.95mV，比鉑銠－鉑熱電偶高了十倍左右，其熱電特性的線性也好，價格又便宜。它的缺點是不能用于高溫，長期使用溫度上限為600℃，短期使用可達800℃；另外，康銅易氧化而變質，使用時應加保護套管。

以上幾種標準熱電偶的溫度與電勢特性曲線如圖6.3.6所示。雖然曲線描述方式在宏觀上容易看出不少特點，但是光靠曲線查看數(shù)據(jù)還很不精確，為了正確地掌握數(shù)值，編制了針對各種熱電偶熱電勢與溫度的對照表，稱為“分度表”。例如，鉑銠—鉑熱電偶(分度號為S)的“分度表”如表6.3.1所示，表中溫度按10℃分擋，其中間值按內插法計算，按參考端溫度為0℃取值。圖6.3.6幾種常用標準熱電偶的溫度與電勢特性曲線以上幾種標準熱電偶的溫度與電勢特性曲線如圖6.3.6所示。雖然曲線描述方式在宏觀上容易看出不少特點，但是光靠曲線查看數(shù)據(jù)還很不精確，為了正確地掌握數(shù)值，編制了針對各種熱電偶熱電勢與溫度的對照表，稱為“分度表”。例如，鉑銠—鉑熱電偶(分度號為S)的“分度表”如表6.3.1所示，表中溫度按10℃分擋，其中間值按內插法計算，按參考端溫度為0℃取值。表6.3.1鉑銠10—鉑熱電偶(分度號為S)分度表

3.非標準熱電偶

非標準熱電偶無論在使用范圍或數(shù)量上均不及標準熱電偶，但在某些特殊場合，譬如在高溫、低溫、超低溫、高真空等被測對象中，這些熱電偶具有某些特別良好的特性。隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，人們正在不斷地研究和探索新的熱電極材料，以滿足特殊測溫的需要。下面簡述三種非標準熱電偶，供參考。

1)鎢錸系熱電偶

該熱電偶屬廉價熱電偶，可用來測量高達2760℃的溫度，通常用于測量低于2316℃的溫度，短時間測量可達3000℃。這種系列熱電偶可用于干燥的氫氣、中性介質和真空中，不宜用在還原性介質、潮濕的氫氣及氧化性介質中。常用的鎢錸系熱電偶有鎢—鎢錸26，鎢錸—鎢錸25，鎢錸5—鎢錸20和鎢錸5—鎢錸26，這些熱電偶的常用溫度為300℃～2000℃，分度誤差為±1%。

2)銥銠系熱電偶

該熱電偶屬貴金屬熱電偶。銥銠—銥熱電偶可用在中性介質和真空中，但不宜在還原性介質中，在氧化性介質中使用將縮短壽命。它們在中性介質和真空中測溫可長期使用到2000℃左右，它們熱電勢雖較小，但線性好。

3)鎳鈷—鎳鋁熱電偶

測溫范圍為300℃～1000℃，其特點是在300℃以下，熱電偶很小，因此，不需要冷端溫度補償。6.3.3熱電偶的結構

1.普通型熱電偶

普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽、液體等介質的溫度。由于使用的條件基本相似，因此這類熱電偶已做成標準型，其基本組成部分大致是一樣的，通常都是由熱電極、絕緣材料、保護套管和接線盒等主要部分組成。普通的工業(yè)用熱電偶結構示意圖如圖6.3.7所示。圖6.3.7普通的工業(yè)用熱電偶結構示意圖

1)熱電極

熱電偶常以熱電極材料種類來命名，其直徑大小是由價格、機械強度、導電率以及熱電偶的用途和測量范圍等因素來決定的。貴金屬熱電極直徑大多是0.13～0.65mm，普通金屬熱電極直徑為0.5～3.2mm。熱電極長度由使用、安裝條件，特別是工作端在被測介質中插入深度來決定，通常為350～2000mm，常用的長度為350mm。

2)絕緣管

又稱絕緣子，用來防止兩根熱電極短路，其材料的選用要根據(jù)使用的溫度范圍和對絕緣性能的要求而定。常用的是氧化鋁和耐火陶瓷，它一般制成圓形，中間有孔，長度為20mm。使用時根據(jù)熱電極的長度，可多個串起來使用。

3)保護套管

為使熱電極與被測介質隔離，并使其免受化學侵蝕或機械損傷，熱電極在套上絕緣管后再裝入套管內。

對保護套管的要求一方面要經(jīng)久耐用，能耐溫度急劇變化，耐腐蝕，不分解出對電極有害的氣體，有良好的氣密性及足夠的機械強度；另一方面是傳熱良好，傳導性能越好，熱容量越小，能夠改善電極對被測溫度變化的響應速度。常用的材料有金屬和非金屬兩類，應根據(jù)熱電偶類型、測溫范圍和使用條件等因素來選擇保護套管材料。

4)接線盒

接線盒供熱電偶與補償導線連接用，接線盒固定在熱電偶保護套管上，一般用鋁合金制成，分普通式和防濺式(密封式)兩類，為防止灰塵、水分及有害氣體侵入保護套管內，接線端子上應注明熱電極的正、負極性。

2.鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其斷面結構如圖6.3.8所示，分單芯和雙芯兩種。它可以做得很長、很細，在使用中可以隨測量需要進行彎曲。

套管材料為銅、不銹鋼等，熱電極和套管之間填滿了絕緣材料的粉末，目前常用的絕緣材料有氧化鎂、氧化鋁等。目前生產(chǎn)的鎧裝熱電偶外徑一般為0.25～12mm，有多種規(guī)格，它的長短根據(jù)需要來定，最長的可達100m以上。

鎧裝熱電偶的主要特點是測量端熱容量小、動態(tài)響應快、機械強度高、抗干擾性好、耐高壓、耐強烈振動和耐沖擊，可安裝在結構復雜的裝置上，因此，已被廣泛用在許多工業(yè)部門中。圖6.3.8鎧裝熱電偶斷面結構6.3.4熱電偶冷端溫度補償

1.補償導線法

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度的提高，要求把溫度測量的信號從現(xiàn)場傳送到集中控制室里，或者由于其他原因，顯示儀表不能安裝在被測對象的附近，而需要通過連接導線將熱電偶延伸到溫度恒定的場所。由于熱電偶一般做得比較短(除鎧裝熱電偶外)，特別是貴金屬熱電偶就更短，這樣熱電偶的冷端離被測對象很近，使冷端溫度較高，且波動較大，如用很長的熱電偶使冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方，這種辦法由于熱電極線不便于敷設，且對于貴金屬很不經(jīng)濟，因此是不可行的。所以，一般用一種導線(稱補償導線)將熱電偶的冷端伸出來，如圖6.3.9所示，這種導線采用在一定溫度范圍內(0～100℃)又具有和所連接的熱電偶有相同的熱電性能的廉價金屬。圖6.3.9補償導線在測溫回路的連接常用熱電偶的補償導線如表6.3.2所示。表中補償導線型號的頭一個字母與配用熱電偶的型號相對應；第二個字母“X”表示延伸補償導線(補償導線的材料與熱電偶電極的材料相同)；字母“C”表示補償型導線。表6.3.2常用熱電偶的補償導線

在使用補償導線時必須注意以下問題：

(1)補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內(一般為0～100℃)與熱電偶的熱電勢相等或相近。

(2)不同型號的熱電偶有不同的補償導線。

(3)熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持同溫度。

(4)補償導線有正、負極，需分別與熱電偶的正、負極相連。

(5)補償導線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當自由端t0≠0時，還需進行其他補償與修正。

2.計算法

當熱電偶冷端溫度不是0℃，而是t0時，應根據(jù)熱電偶中間溫度定律，可得熱電勢的計算校正公式：(6.3.13)式中，E(t，0)—表示冷端為0℃，而熱端為t時的熱電勢；E(t，t0)—表示冷端為t0，而熱端為t時的熱電勢，即實測值；E(t0，0)—表示冷端為0℃，而熱端為t0時的熱電勢；即為冷端溫度不為0時熱電勢校正值。

3.補償電橋法

補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，如圖6.3.10所示。不平衡電橋(即補償電橋)由電阻R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路穩(wěn)壓電源所組成，串接在熱電偶測量回路中，熱電偶冷端與電阻RCu感受相同的溫度，通常取20℃時電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時，對角線a、b兩點電位相等(即Uab=0)，電橋對儀表的度數(shù)無影響。當環(huán)境溫度高于20℃時，RCu增加，平衡被破壞，a點電位高于b點，產(chǎn)生一不平衡電壓Uab

，與熱端電勢相迭加，一起送入測量儀表。適當選擇橋臂電阻和電流的數(shù)值，可使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab

正好補償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，儀表即可指示出正確的溫度，由于電橋是在20℃時平衡，所以采用這種補償電橋須把儀表的機械零位調整到20℃。圖6.3.10冷端濕度補差電橋圖6.3.11冰點槽

5.軟件處理法

對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如，冷端溫度恒定，但不為零的情況下，只要在采樣后，加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。對于t0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其他傳感器把t0輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的通道中除了熱電勢之外，還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補償導線將所有的冷端接到同一溫度處，只用一個溫度傳感器和一個修正t0的輸入通道就可以了，冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。6.3.5熱電偶常用測溫線路

1.測量某點溫度的基本電路

圖6.3.12是測量某點溫度的基本電路，圖中A、B為熱電偶，C、D為補償導線，t0為使用補償導線后熱電偶的冷端溫度，C為銅導線，在實際使用時就把補償導線一直延伸到配用儀表的接線端子，這時冷端溫度即為儀表接線端子所處的環(huán)境溫度。圖6.3.12測量某點溫度的基本電路

2.測量兩點之間溫度差的測溫電路

圖6.3.13是測量兩點之間溫度差的測溫電路。用兩支相同型號熱電偶，配以相同的補償導線，這種連接方法應使各自產(chǎn)生的熱電勢互相抵消，儀表G可測t1和t2之間的溫度差。圖6.3.13測量兩點之間溫度差的測溫電路

3.測量多點的測溫線路

多個被測溫度用多支熱電偶分別測量，但多個熱電偶共用一臺顯示儀表，它們是通過專用的切換開關來進行多點測量的，測溫線路如圖6.3.14所示，但各支熱電偶的型號要相同，測溫范圍不要超過顯示儀表的量程。多點測溫線路多用于自動巡回檢測中，此時溫度巡回檢測點可多達幾十個，以輪流或按要求顯示各測點的被測數(shù)值。而顯示儀表和補償熱電偶只用一個就夠了，這樣，就可以大大地節(jié)省顯示儀表和補償導線。圖6.3.14多點測溫線路

4.測量平均溫度的測溫線路

用熱電偶測量平均溫度一般采用熱電偶并聯(lián)的方法，如圖6.3.15所示。輸入到儀表兩端的電壓值為三個熱電偶輸出熱電動勢的平均值，即E=(E1+E2+E3)／3，如三個熱電偶均工作在特性曲線的線性部分時，則代表了各點溫度的算術平均值。為此，每個熱電偶需串聯(lián)較大電阻，此種電路的特點是：儀表的分度仍舊和單獨配用一個熱電偶時一樣；其缺點是：當某一熱電偶燒斷時，不能很快地覺察出來。圖6.3.15熱電偶測量平均溫度的并聯(lián)線路

5.測量幾點溫度之和的測溫線路

用熱電偶測量幾點溫度之和的測溫線路的方法一般采用熱電偶的串聯(lián)，如圖6.3.16所示。輸入到儀表兩端的熱電勢之總和，即E=(E1+E2+E3)，可直接從儀表讀出平均值，此種電路的優(yōu)點是：熱電偶燒壞時可立即知道，還可獲得較大的熱電動勢。應用此種電路時，每一熱電偶引出的補償導線還必須回接到儀表中的冷端處。圖6.3.16熱電偶測量幾點溫度之和的串聯(lián)線路 6.4輻射式溫度傳感器

輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。在應用輻射式溫度傳感器檢測溫度時，只需把傳感器對準被測物體，而不必與被測物體直接接觸。輻射式溫度傳感器是一種非接觸式測溫方法，它可以用于檢測運動物體的溫度和小的被測對象的溫度，與接觸式測溫法相比，具有如下特點：

(1)傳感器和被測對象不接觸，不會破壞被測對象的溫度場，故可測量運動物體的溫度并可進行遙測。

(2)由于傳感器或熱輻射探測器不必達到與被測對象同樣的溫度，故儀表的測溫上限不受傳感器材料熔點的限制，從理論上說儀表無測溫上限。

(3)在檢測過程中傳感器不必和被測對象達到熱平衡，故檢測速度快，響應時間短，適于快速測溫。6.4.1輻射測溫的物理基礎

1.熱輻射

物體受熱激勵了原子中帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播，它不需要任何物質作為媒介(即在真空條件下也能傳播)，將熱能傳遞給對方，這種能量的傳播方式稱為熱輻射(簡稱輻射)，傳播的能量叫輻射能。輻射能量的大小與波長、溫度有關，它們的關系被一系列輻射基本定律所描述，而輻射溫度傳感器就是以這些基本定律作為工作原理而實現(xiàn)輻射測溫的。

2.黑體

輻射基本定律，嚴格地講，只適用于黑體。所謂黑體是指能對落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。在自然界，絕對的黑體客觀上是不存在的，鉑黑炭素以及一些極其粗糙的氧化表面可近似為黑體。若以完全不透光或熱流的、溫度均一的腔體(球體、柱形、錐形等)，壁上開小孔，當孔徑與球徑(若是球形腔體)相比很小時，這個腔體就成為很接近于絕對黑體的物體，這時從小孔入射的輻射能量幾乎全部被吸收。

在某個給定溫度下，對應不同波長的黑體輻射能量是不相同的，在不同溫度下對應全波長(λ：0～∞)范圍總的輻射能量也是不相同的，三者間的關系如圖6.4.1所示，且滿足下述各定律。圖6.4.1黑體輻射能量與波長、溫度之間的關系

3.輻射基本定律

(1)普朗克定律

普朗克定律揭示了在各種不同溫度下，黑體輻射能量按波長分布的規(guī)律，其關系式(6.4.1)式中，E0(λ，t)—黑體的單色輻射強度，定義為單位時間內，每單位面積上輻射出在波長λ附近單位波長的能量[W／(cm2·μm)]；

T—黑體的絕對溫度[K]；C1—第一輻射常數(shù)，C1=3.74×104[W·μm／cm2]；C2—第二輻射常數(shù)，C2=1.44×104[μm.K]；λ—波長[μm].

2)斯忒藩—波耳茲曼定律

斯忒藩—波耳茲曼定律確定了黑體全輻射與溫度的關系。(6.4.2)

式中，σ為斯忒藩—波耳茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8，單位為W／(m2·K4)。此式表明，黑體的全輻射能是和它的絕對溫度的四次方成正比，所以這一定律又稱為四次方定律。工程上常見的材料一般都遵循這一定律，并稱之為灰體。把灰體全輻射能E與同一溫度下黑體全輻射能E0相比較，就得到物體的另一個特征量黑度ε

(6.4.3)式中，ε—為黑度，它反映了物體接近黑體的程度。6.4.2輻射測溫方法

輻射測溫方法分亮度法、全輻射法和比色法。

1)亮度法

亮度法是指被測對象投射到檢測元件上，是被限制在某一特定波長的光譜輻射能量，而能量的大小與被測對象溫度之間的關系是普朗克公式所描述的一種輻射測溫方法，即比較被測物體與參考源在同一波長下的光譜亮度，并使二者的亮度相等，從而確定被測物體的溫度，典型測溫傳感器是光學高溫計。

2)全輻射法

全輻射法是指被測對象投射到檢測元件上，是對應全波長范圍的輻射能量，而能量的大小與被測對象溫度之間的關系是由斯忒藩—波耳茲曼所描述的一種輻射測溫方法，典型測溫傳感器是輻射溫度計(熱電堆)。

3)比色法

被測對象的兩個不同波長的光譜輻射能量投射到一個檢測元件上，或同時投射到兩個檢測元件上，根據(jù)它們的比值與被測對象溫度之間的關系實現(xiàn)輻射測溫，比值與溫度之間的關系由兩個不同波長下普朗克公式之比表示，典型測溫傳感器是比色溫度計。

1.光學高溫計

光學高溫計主要由光學系統(tǒng)和電測系統(tǒng)兩部分組成，其原理如圖6.4.2所示。圖6.4.2上半部為光學系統(tǒng)。物鏡1和目鏡4都可沿軸向移動，調節(jié)目鏡的位置，可清晰地看到燈絲3；調節(jié)物鏡的位置，能使被測物體清晰地成像在燈絲平面上，以便比較二者的亮度。在目鏡與觀察孔之間置有紅色濾光片5，測量時移入視場，使所利用光譜有效波長λ約為0.66μm，以保證滿足單色測溫條件。圖6.4.2光學高溫計原理(a)電壓式；(b)電橋式圖6.4.2下半部為電測系統(tǒng)。溫度燈泡3和滑線電阻7，按鈕開關S和電源E相串聯(lián)。毫伏表6用來測量不同亮度時燈絲兩端的電壓降，但指示值則以溫度刻度表示。調整滑線電阻7可以調整流過燈絲的電流，也就調整了燈絲的亮度。一定的電流對應燈絲一定的亮度，因而也就對應一定的溫度。

測量時，在輻射熱源(被測物體)的發(fā)光背景上可以看到弧形燈絲，如圖6.4.3所示。假如燈絲亮度比輻射熱源亮度低，燈絲就在這個背景上顯現(xiàn)出暗的弧線，如圖6.4.3(a)所示；反之如燈絲的亮度高，則燈絲就在暗的背景上顯示出亮的弧線，如圖6.4.3(b)所示；假如兩者的亮度一樣，則燈絲就隱滅在熱源的發(fā)光背景里，如圖6.4.3(c)所示。這時由毫伏表6讀出的指示值就是被測物體的亮度溫度。圖6.4.3有燈泡燈絲亮度調整圖

(a)燈絲亮度低;(b)燈絲亮度高;(c)燈絲亮度與輻射熱源亮相同

2.輻射溫度計

輻射溫度計的工作原理是基于四次方定律，圖6.4.4為輻射溫度計的工作原理圖。被測物體的輻射線由物鏡聚焦在受熱板上，受熱板是一種人造黑體，通常為涂黑的鉑片，當吸收輻射能以后溫度升高，由連接在受熱板上的熱電偶或熱電阻測定。通常被測物體是ε＜1的灰體，如果以黑體輻射作為基準進行標定刻度，那么知道了被測物體的ε值，即可根據(jù)式(6.4.2)、式(6.4.3)求得被測物體的溫度，即由灰體輻射的總能量全部被黑體所吸收，這樣它們的能量相等，但溫度不同，即(6.4.4)(6.4.5)圖6.4.4輻射溫度計工作原理(6.4.6)(6.4.7)圖6.4.5為單通道比色溫度計原理圖 6.5薄膜熱傳感器

6.5.1金屬薄膜熱電阻

薄膜熱電阻是20世紀80年代隨著薄膜技術的成熟而發(fā)展起來的一種新型溫度敏感元件，其產(chǎn)品性能已接近或達到線繞鉑電阻，且價格低廉，因而得到了廣泛的應用，其規(guī)?；a(chǎn)線先后在德國、日本和美國相繼建成投產(chǎn)。20世紀80年代，我國研究機構在薄膜熱電阻的工藝研究上也取得了突破性進展，并不斷有產(chǎn)品投入市場。近幾年來，無論是薄膜熱電阻生產(chǎn)工藝技術或是產(chǎn)品本身，都在不斷提高、完善和發(fā)展之中，自動化的工藝設備和測試設備日新月異，促使了生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質量不斷提高。例如，薄膜熱電阻的阻值已擴大到2000Ω，元件的幾何尺寸已經(jīng)縮小到1.6mm×1.25mm×1.1mm。在結構形式上有帶線平面型(GR、Z和AL型)、無引線的SMD型和外伸導線型等。所開發(fā)的高溫薄膜熱電阻，其使用溫度范圍從原來的500℃提高到850℃甚至1100℃，低溫工作溫度－55℃，使產(chǎn)品應用范圍更加廣泛。

1.薄膜熱傳感器的結構

薄膜熱電阻是把金屬鉑粉碎成微細鉑粉，用真空沉積的薄膜技術把鉑粉附著在陶瓷基片上，膜厚在2μm以內，用玻璃燒結材料把引線固定，經(jīng)過激光調阻制成。薄膜熱電阻的阻值范圍大，它在零度的阻值、幾何尺寸、結構形式等可以根據(jù)要求制成多種樣式。薄膜熱電阻與其他溫度傳感器的性能比較如表6.5.1所示。表6.5.1薄膜熱電阻與其他溫度傳感器的性能比較薄膜熱電阻的結構如圖6.5.1所示。它在基片上采用真空沉積技術將鉑金屬制成薄膜，再將引線燒結固定，形成薄膜電阻器。經(jīng)過激光修正后的零度阻值誤差大為減小，一般可以做到小于±0.05%?；ǔ２捎锰沾?、云母、玻璃等材料制成，厚度一般小于0.2mm，寬度W和長度L視應用的需要而有所不同，對于用于點溫度測量的傳感器，其寬度W可以做到小于1.5mm，長度L可以做到小于2.0mm。圖6.5.1薄膜熱電阻的結構

2.薄膜熱電阻的測溫機理

薄膜熱電阻的阻值與溫度變化之間的關系可以用鉑熱電阻在－200℃～0℃范圍內的電阻與溫度的關系式(6.1.1)近似地表示，即定義電阻的溫度系數(shù)α

(6.5.1)式中，Rt

—溫度為t℃時的阻值；R0—溫度為0℃時的阻值；Δt—溫度差值，Δt=t－0；A、B、C—常數(shù)，對于不同型號的元件，取值有所差別。薄膜熱電阻是基于純金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增加的原理來測量溫度的。大量的事實證明，在很寬的溫度范圍內，純金屬的電阻率與溫度的關系遵循布洛赫—格林愛森公式(6.5.2)式中，A為金屬特性常數(shù)；M為金屬原子量；ΘD為金屬的德拜溫度，例如，Ni的ΘD=450K；ρ(T)為溫度T的電阻率。(6.5.3)定義金屬薄膜材料在一定溫度區(qū)間內的平均電阻溫度系數(shù)為(6.5.4)

由式(6.5.4)可知，要提高電阻溫度系數(shù)α，必須降低薄膜的電阻率ρ0，而電阻率與材料的散射幾率P有關，即(6.5.5)在一般情況下，連續(xù)結構金屬的散射幾率為(6.5.6)式中，P1—聲子對電子的散射幾率；P2——

雜質對電子的散射幾率；P3——晶體缺陷對電子的散射幾率；P4——晶界對電子的散射幾率；P5——薄膜表面對電子的散射幾率。6.5.2多晶硅薄膜熱電阻

1.多晶硅薄膜熱電阻的結構

多晶硅薄膜是由許多晶向不同的微小晶粒和連接它們的晶粒間界組成的。在晶粒內部，原子呈周期性有序排列，它們具有單晶硅結構，因此每個晶?？梢员豢闯墒且粋€小的單晶體；晶粒間界是由一個晶向的晶粒向另一個晶向的晶粒的過渡區(qū)，過渡區(qū)的距離相當于幾個原子層的厚度，在這個區(qū)域內原子的排列高度無序，呈非靜態(tài)結構，具有很高的電阻率。圖6.5.2為多晶硅薄膜晶粒結構示意圖，可以將多晶硅薄膜視為由許多單晶硅小晶粒通過晶界串聯(lián)而成，晶粒間界是厚度為δ的無定形硅，存在高密度的懸掛鍵和缺陷形成的載流子陷阱，晶粒中的自由載流子能夠為晶界陷阱所俘獲，從而使晶界帶電形成多子勢壘，晶界兩側形成寬度為W的耗盡層(勢壘區(qū))，W的大小由電荷的陷阱密度所調制。對于摻雜濃度不太低、淀積溫度也不很低的多晶硅而言，晶粒通常處于部分耗盡狀態(tài)。圖6.5.2多晶硅薄膜晶粒結構示意圖

2.多晶硅薄膜熱電阻測溫機理

多晶硅薄膜的電阻率高于其摻雜濃度相同的單晶硅電阻率的原因，主要就是由于晶粒間界的存在。晶粒間界之所以對多晶硅薄膜電阻有很大的決定作用，主要是通過對薄膜中載流子移動過程的影響而形成的，具體表現(xiàn)為：一方面由于每一個單晶晶粒和其周圍的非晶結構晶粒間界之間形成一個異質結，從能帶結構角度看即是形成一個異質結位壘，它對載流子在晶粒間的運動起阻擋作用，從而降低了載流子的遷移率；另一方面由于原子在晶粒間界區(qū)無序排列，存在著大量懸掛鍵和高密度陷阱，晶粒內載流子首先被晶粒間界界面陷阱所俘獲，形成一個多子勢壘區(qū)，這不僅降低了載流子的遷移率，還減小了載流子的濃度。多晶硅薄膜的電阻率與溫度之間的關系為(6.5.7)式中，KA

、KB

、KC為與溫度無關的常數(shù)，僅取決于摻雜濃度、晶粒尺度和晶界狀態(tài)。以KA為系數(shù)的項是晶格振動散射項，具有正的溫度系數(shù)；以KB為系數(shù)的項是晶格雜質散射項，具有負的溫度系數(shù)；以KC為系數(shù)的項是晶界電阻項。對于晶粒尺寸較大，晶界區(qū)缺陷密度低，或高摻雜情況，晶粒耗盡區(qū)W很窄，勢壘高度降低，晶粒中性區(qū)L擴大，多晶硅薄膜的電阻率主要由式(6.5.7)中晶格振動散射項和晶格雜質散射項的單晶晶粒電阻率決定。即(6.5.8)對晶粒尺寸很小，晶界區(qū)缺陷密度高或輕摻雜情況，晶粒中性區(qū)L與晶粒耗盡區(qū)W相比不很大，而晶界耗盡層為高阻區(qū)，電阻率則主要由晶界電阻率決定，即(6.5.9)

薄膜熱敏傳感器的基片材料的選擇也十分重要，如果基片和熱敏感膜層的熱膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生熱應力，引起電阻的變化，導致測量誤差；基片的導熱性能不好，會由于基片具有一定的厚度而引起體積滯后，傳感器的熱滯后嚴重，則動態(tài)響應性能就會下降。 6.6集成溫度傳感器

6.6.1集成溫度傳感器工作原理及分類

1.工作原理

集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏三極管(一般為差分對管)及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化PN結溫度傳感器，這種傳感器線性好，精度高，互換性好，并且體積小，使用方便，其工作溫度范圍一般為－50℃~+150℃。集成電路溫度傳感器的感溫元件采用差分對晶體三極管，它產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓和電流，這部分常稱為PTAT(ProportionalToAbsoluteTemperature)。圖6.6.1是典型的感溫部分電路，其輸出電壓為(6.6.1)式中，n是V1和V2的發(fā)射結面積比。圖6.6.1電壓輸出的PTAT

2．分類

集成電路溫度傳感器按其輸出可分為電壓型、電流型和數(shù)字輸出型。典型的電壓型集成電路溫度傳感器有μPC616A／C、LM135、AN670l等；典型的電流型集成電路溫度傳感器有AD590和LM134；典型的數(shù)字輸出型傳感器有DS1B820，ETC－800等。6.6.2電壓型集成溫度傳感器μPC616A／C

最早研制的電壓輸出型溫度傳感器是四端傳感器，μPC616A／C為四端電壓輸出型，其框圖如圖6.6.2所示。它由PTAT核心電路、參考電壓源和運算放大器三部分組成，其四個端子分別為U+、U－、輸入和輸出。該類型傳感器的最大工作溫度范圍是－40℃～125℃，靈敏度是10mV／K，線性偏差為0.5%～2%，長期穩(wěn)定性和重復性為0.3%，精度為±4K。圖6.6.2四端電壓輸出型傳感器框圖基本應用電路如圖6.6.3所示。圖6.6.3(a)和圖6.6.3(b)分別給出了使用正電源和負電源的接法。由于輸入端和輸出端短接，作為三端器件，傳感器在U+端和輸出端之間給出正比于絕對溫度的輸出電壓Uo，其溫度靈敏度是10mV／K。在內部參考電壓的箝位作用下，U+和U-端之間的電壓保持為6.85V，傳感器實際上是一個電壓源，所以傳感器必須和一個電阻R1串聯(lián)，而所加電壓UCC要大于6.85V，常取±15V。傳感器電路電流通常選在1mA左右，因此R1值可由下式確定：(6.6.2)圖6.6.3基本應用電路

(a)正電源；(b)負電源6.6.3電流型集成溫度傳感器AD590

1．性能特點

電流輸出型集成電路溫度傳感器是繼電壓輸出型傳感器之后發(fā)展的一種新型傳感器，其典型代表是AD590。這種傳感器以電流作為輸出量指示溫度，其典型的電流溫度靈敏度是1μA／K，它是一種兩端器件，使用非常方便。作為一種高阻電流源，對于它，沒有電壓輸出型傳感器遙測或遙控應用的長饋線上的電壓信號損失和噪聲干擾問題，故特別適合遠距離測量或控制。出于同樣理由，AD590也特別適用于多點溫度測量系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。由于電路結構獨特，并利用薄膜電阻激光微調技術作最后定標，故電流輸出型比電壓輸出型精度更高。另外，電流輸出可通過一個外加電阻很容易地變?yōu)殡妷狠敵觥?/p>

AD590有如下特點：

(1)線性電流輸出：1μA／K；

(2)工作溫度范圍：-55℃～155℃；

(3)兩端器件：電壓輸入，電流輸出；

(4)激光微調使定標精度達±0.5℃；

(5)整個工作溫度范圍內非線性誤差小于±0.5℃；

(6)工作電壓范圍：4～30V；

(7)器件本身與外殼絕緣。

2．簡單應用

1)溫度測量

圖6.6.4是應用AD590測量絕對溫度的最簡單的例子，如果R=1kΩ，則每毫伏對應1K。圖6.6.4絕對溫度測量

2)溫差測量

圖6.6.5是應用AD590測量溫差的最簡單的例子。圖6.6.5溫差測量

3)溫度控制

圖6.6.6是AD590用于簡單溫度控制的例子