集成传感器(03) 清华大学
1. 温度传感器介绍
温度(热)传感器:检测温度物理量的传感器。
制作温度(热)传感器的材料多种多样,如导体、半导体、电介质、磁性材料、有机高分子等。
半导体材料温度传感器的优点:灵敏度高,体积小,响应速度快,成本低,易于实现集成化。半导体材料温度传感器缺点:易受环境的影响,长期使用可靠性较差。
集成温度传感器分类:
- 接触式:热敏电阻器,PN结型热敏二极管,热敏晶体管,集成电路温度传感器。
- 非接触式:红外吸收型温度传感器。
2. 硅热敏电阻传感器
热敏电阻传感器是电阻值随温度变化而变化显著的一种热敏元件,它对温度非常敏感。
热阻效应:
\[\begin{aligned} R&=\frac{\rho l}{A}\\\rho&=\rho_0f(T) \end{aligned}\]其中,$\rho_0$为$0^\circ C$时的标准电阻率。
温度的变化可以引起电阻的长度和截面积的变化,同时也可以引起材料电阻率的变化。而其中,电阻率随温度变化的效应被称为“热阻效应”。对于热敏电阻而言,这些电阻随温度的变化,主要来源于电阻率的变化。
对于金属材料而言,金属材料内部有大量的自由电子,能带结构上无禁带,吸收热量产生温升后,自由电子的浓度增加微不足道,而晶格振动的加剧却妨碍了电子的自由运动,从而电阻温度系数为正,且其绝对值比半导体小。
而对于硅、锗等半导体材料而言,其电阻率对温度非常敏感,这对半导体器件的可靠性产生不利影响。但是,可以利用半导体材料电阻率随温度变化的特性制成温度传感器。
半导体材料的电阻率表达式为:
\[\rho=\frac{1}{q(\mu_e(T)n_e(T)+\mu_p(T)n_p(T))}\]由上式可以看出,半导体的电阻率主要取决于迁移率和载流子(电子或空穴)的浓度。
本征半导体材料:半导体材料的本征载流子浓度n随温度上升而急剧增加。室温附近,温度每增加8℃,硅的本征载流子浓度会增加一倍。由于迁移率只有稍有下降,所以电阻率降低一半,对锗而言,温度每增加12℃,其本征载流子浓度增加一倍,电阻率降低一半。
但在实际应用中,我们使用的半导体材料,很难是一种本征的半导体材料,一般都会是掺杂的(P型掺杂或N型掺杂)。而我们目前获得的最低掺杂浓度半导体,其掺杂浓度也要远高于室温下本征载流子浓度。
当我们利用半导体材料来做温度传感器时,一般会使其工作在饱和区,其载流子浓度取决于其掺杂浓度。
利用半导体材料的电阻率与温度的密切关系,我们可以制作半导体的热敏电阻。
上图利用n+或n接触形成的直径为20$\mu m$的扩散电阻,阻值为:
\[R_S\approx\frac{\rho}{\pi d}\]【热阻传感器的自加热现象】对电阻进行通电,耗散在传感器中的能量会给传感器加热,从而影响测量,称为自加热现象。解决此问题的方法:脉冲测量法。用脉冲电压来代替直流电压,同时要求测量电路时间常数小于传感器的热时间常数。
3. PN结温度传感器
根据PN结的特性,流过结的正向电流 $I_D$与这个结上的压降 $V_D$有如下的关系:
\[I_D=I_se^{\frac{qV_D}{kT}}\]其中,$I_s$ 为反向饱和电流,可写成如下的形式:
\[I_s=BT^\eta e^{\frac{qV_{go}}{kT}}\]其中,$qV_{go}$ 为半导体材料的禁带宽度;$V_{go}$是绝对0度时,导带底和价带项的电位差;$B,\eta$为器件的结构、材料和工艺条件有关的常数。
对上述式子取对数并对温度$T$进行微分,可得
\[\frac{dV_D}{dT}=-[\frac{V_{go}-V_D}{T}+\eta\frac{k}{q}]\]从图中可以看到,温度越高,整个曲线有向左移的趋势。因此,当PN结二极管的前向电流被固定在某一值的时候,我们可以通过PN结正向电压的变化来获得温度的信息。
使用PN结制作温度传感器,工艺非常简单成本非常低,使用非常的方便,但是也有很多的缺点:
- 各种材料的PN结,其正向压降的温度系数并不相同,且不是常数;
- PN结二极管作为测温元件使用,测量精度和互换性都是较差的;
- 利用PN结的正向压降测量温度,在高温时受到载流子本征激发的限制,因此一般只能工作在200℃以内。
4. 双极型晶体管温度传感器
双极型晶体管是由两个非常靠近的背靠背的PN结构成的双极器件。由于PN结本身可以作为温度传感器来使用,所以说双极型晶体管自然也可以作为温度传感器来使用,下面是两种使用方式:
- 利用PN结正向温度系数即将晶体管的基极与集电极接在一起作为正极,发射极作为负极,形成一只二极管。(但是这样的结构并没有完全的利用双极性晶体管的特性)
- 利用两只双晶体管的 $V_{be}$之差与温度的线性关系,该方法的精度有所提高。将这两种电路与恒流电路、放大电路集成在一起,构成一个集成温度传感器。
使用两个晶体管构建温度传感集成电路可以有两种工作模式:
- 利用不同的电流通过相同的晶体管(对管),通过测量两只晶体管be结的电压差来检测温度。(因为其中某些元器件的参数难以用集成电路工艺来制作,使得对这种方案的使用较少)
- 让相同的电流通过发射结面积不同的晶体管,通过测量两只晶体管be结的电压差来检测温度。
【相同的电流通过不同的晶体管】
- $T_1,T_2$为两个完全相同的pnp晶体管,它们连接成电流镜像的形式;在忽略基极电流的情况下,它们的集电极电流相等。
- $T_3,T_4$是npn晶体管,$T_3$的发射结是$T_4$的发射结面积的$r$倍。
- 由于$T_1$和$T_2$的集电极电流相同,$T_3,T_4$的集电极电流也相同,都是 $I_1$,在略去基极电流的近似条件下:
因为 $I_{s3}=I_{s4}$,可得
\[V_{be4}-V_{be3}=\frac{kT}{q}\ln r\]通过这个式子,我们就可以得到,$T_3$和$T_4$的 $V_{be}$ 电压差与绝对的温度成正比,同时也正比于两个晶体管的be结的面积的比值。而与晶体管本身的绝对的结构参数无关。这样的特点,就最大限度的利用了我们集成电路的制造工艺的特点。
上式的电压差就是在电阻R上的电压降,即
\[\frac{kT}{q}\ln r=I_1R~~\Rightarrow I_1=\frac{kT}{qR}\ln r\]同样通过上式可知整个电路的电流 $I_1$也与绝对温度 $T$成正比,所以我们也可使用电流值作为一个度量。
5. 热电红外温度传感器
黑体的光谱出射度由普朗克公式描述:
\[M_{e,s,\lambda}=\frac{2\pi c^2h}{\lambda^5(e^{\frac{hc}{\lambda kT}}-1)}\]式中,$k$为玻尔兹曼常数,$h$为普朗克常数,$T$为绝对温度,$c$为真空光速。
【图:不同温度物体对外辐射电磁波的光谱曲线】
黑体的辐射出射度与温度的关系:
\[M_{e,s}=\int_0^\infty M_{e,s,\lambda}d\lambda=\sigma T^4\]式中,$\sigma$为斯特藩-玻尔兹曼常数。$\sigma=\frac{2\pi^5 k^4}{15h^3c^2}=5.67 \times 10^{-8} Wm^{-2}K^{-4}$
于是可知,黑体的辐射出射度与温度的四次方成正比。
如果我们能用一个器件,捕捉到物体的辐射能量,并把它转换成电信号的时候,我们就可以获得这个物体的温度信息,从而实现一个非接触式的温度传感。为了实现这样一个目标,我们采用的器件所利用的原理,我们称之为Seebeck效应。
Seebeck效应特点:
- 必须使用两种不同的材料,相同的材料不会产生冷端电压差;
- 该效应是一种体性质,与材料的连接方式无关;
- 材料的Seebeck系数与其化学成分和温度有关;
- 半导体的Seebeck系数比金属大得多;
- 两个导体连接,则在连接点处形成热电偶;多个热电偶并联、串联连接,称为热电堆(热电堆可以输出更高的电压或者更大的电流,也就是说传感的灵敏度会更高)。
室温下重掺杂硅的Seebeck系数简化表达式:
- N型硅:$\alpha_n=-\frac{k}{q}(\ln\frac{N_c}{N_d}+4)$
- P型硅:$\alpha_p=\frac{k}{q}(\ln\frac{N_v}{N_a}+4)$
式子中,$N_c$和$N_v$分别为导带和价带中的态密度;$k$为玻尔兹曼常数;$N_d$为N型硅的施主掺杂浓度;$N_a$为P型硅中的受主掺杂浓度;$q$为电子电荷。
热电优质 $Z$
\[Z=\frac{(\alpha_A-\alpha_B)}{KR}=\frac{(\alpha_A-\alpha_B)}{k\rho}\]其中,$K$为热电堆的热导,$R$为热电堆的电阻,$k$为热电堆的热导率,$\rho$为热电堆的电阻率。优值的单位为 $K^{-1}$。
- 晶体管工作在放大区时,发射结正偏置、集电结反偏置;
- 晶体管工作在截止区时,发射结反偏置、零电压或者偏置电压不足以使发射结导通、集电结反偏置;
- 晶体管工作在饱和区时,发射结正偏置、集电结正偏置。
关于三极管的动画,点击链接。