3-5 热电传感器在线视频

下面这一小节我们将介绍

非接触式的热点红外温度传感器

在介绍这种传感器之前呢

我们先简单地介绍一下

两个相关的物理学的公式

一个是我们称之为普朗克公式

是关于黑体的光谱出射度

我们知道

对于任何温度

高于绝对零度的物体

它都会向外辐射电磁波

那么这些向外辐射的电磁波

其辐射光谱的函数

就是由普朗克公式来定义的

就是这个式子

在这个式子中

K为玻尔兹曼常数

H是普朗克常数

T是绝对温度

C是真空光速

这个图呢

就是不同的温度的物体

对外辐射的电磁波的光谱曲线

如果我们将刚才得到的

辐射光谱曲线进行积分的话

我们就可以得到

黑体的辐射出射度

与温度间的关系

也就是这样一个式子

在这个式子中σ

为斯特藩 玻尔兹曼常数

它就等于这样一个常数

由这样一个公式我们可以看到

任何一个物体

它的辐射的出射度

是与温度的四次方成正比的

利用这个公式

我们假设

我们人体就是一个黑体的话

如果人体的温度是310K

就可以得到人体的辐射出射度

大约为500瓦每平方米

所以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

实现这样一个目标

我们采用的器件

所利用的物理原理

我们称之为Seekeck效应

Seekeck效应是于1822年

由德国物理学家

Thomas Seekeck发现的

这种效应可以由这个图

来进行说明

当两个导体的一端互相连接

另一端分开

分开的一端与连接的一端

有温度梯度时

在分开一端的两个导体处

就会有电压的输出

这样一个现象

我们称之为Seekeck现象

而这样一个由温度梯度

产生的电压差

可以由下面这个式子来描述

这样我们就可以得到冷端

两个导体之间的电压差

与温度的关系⊿

v21等于一个常数乘以⊿T

而这个常数

取决于两个导体的材料特性

或者说它的Seekeck系数

根据Seekeck效应的一些特点

我们可以得到

利用Seekeck效应制作温度传感器

必须采用两种不同材料的导体

才能产生电压差

同样的材料在冷端

不可能产生电压差

第二
Seekeck效应是一种体效应

它与材料的连接方式

是没有关系的

第三

材料的Seekeck效应

与其材料的成分

以及物理特性有关

同时也与温度有关

一般而言

半导体材料的Seekeck系数

要大于金属材料的Seekeck系数

把两个导体材料连接在一起

制作成的Seekeck效应温度传感器

我们称之为一个热电偶

如果把很多对的这种热电偶

经过串联 或者并联

连接在一起的话

我们称之为热电堆

热电堆可以输出更高的电压

或者更大的电流

也就是说

使得传感的灵敏度会更高

这个表我们汇总了

多种常用材料的Seekeck系数

每一种材料的Seekeck系数

都是相对于白金铂材料而言的

从这个表中我们可以看到

选择正的Seekeck系数

和负的Seekeck系数的材料

来制作热电偶可以得到

相对更大一点的温度灵敏度

比如说金属锑和金属铋

镍洛合金和镍铝合金

铜和康铜等

而半导体材料硅和锗

其Seekeck系数要远大于金属材料

而P型材料

和N型材料的Seekeck系数

分别为正值和负值

这样我们可以利用P型半导体

和N型半导体来制作热电堆

或者热电偶传感器

而事实上

半导体材料的Seekeck系数

是与其掺杂浓度非常相关的

掺杂浓度与硅材料的Seekeck系数

可以用这样两个式子来描述

式子中αn和αp

为N型硅和P型硅的Seekeck系数

Nc和Na分别为硅的倒带

和架带中的钛密度

Nd为N型硅的虚阻掺杂浓度

Na为P型硅中的受阻掺杂浓度

利用Seekeck效应

制造热电的温度传感器

其灵敏度除了

和材料的Seekeck系数有关以外

还与材料的电阻率

和热导率相关为了比较全面地描述

某种材料的热电特性

因此我们定义了一个

热点优值Z来比较

不同的热电材料的热电特性

热电优值Z由这样一个公式来描述

在公式中Z等于

【公式展示】α

A和αB分别为热电堆

或者热电阻器件中的

两种材料的Seekeck系数

K为热电堆的热导率ρ

为热电堆的电阻率

下面我们就介绍一种典型的

利用硅材料制作的热电堆器件

它的制作工艺以及器件性能

这个图就是

硅热电堆的制作工艺流程示意图

首先在N型硅和P型硅基片上

利用各向异性腐蚀的办法

制作出热电堆的热电结构

然后用热氧化的办法

在结构的表面制作一层氧化层

作为热电结构的绝缘材料

把该结构临时键合在另外一个

玻璃衬底上

该玻璃衬底作为后续工艺的一个

支撑结构

去掉多余的硅材料

再用光刻和镀膜的工艺

利用金属将P型硅和N型硅

电连接起来

形成热电堆的结构

最后再去掉下面临时键合的

玻璃基片

这就得到了完整结构的

硅材料热电堆器件

在这样一个器件中

P型硅的掺杂浓度

为4乘以10的19次方厘米负三次方

P型硅的电阻率为0.002欧姆厘米

N型硅的电阻率为0.01欧姆厘米

整个热电堆包含92对热电偶

器件的最终灵敏度

为42毫伏每摄氏度

以上介绍的几种集成温度传感器

各有其特点

下面这张表是对这些

温度传感器的一个性能的比较

对于硅热敏电阻

分辨率可以达到正负1摄氏度

精度处于中等 价格比较便宜

可以集成

而热敏二极管

灵敏度为负的2个毫伏每K左右

精度同样是中等 价格便宜

可集成 但是互换性比较差

对于热敏晶体管集成电路

温度传感器而言

它的价格低

带集成电路用于绝对温度的测量

在一般用途中应用广泛

对于热电堆

非接触式红外温度传感器

它的分辨率可以达到正负0.2摄氏度

响应时间可以小于1秒

灵敏度可以达到40毫伏每摄氏度

常用于

非接触式的红外的温度探测

好的 这一讲我们就介绍到这里

下一讲

我们将介绍 集成湿度传感器

谢谢大家