温度传感器特性的研究

２０１２年第３１卷第７期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２３　

一种基于ＭＥＭＳ技术的冗余Ｐｔ温度传感器研究　

姜国光　，段成丽　，张洪泉　

（１．中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨１５０００１；　２．中国国防科技信息中心，北京１００１４２）　

摘　要：为了提高Ｐｔ温度传感器的响应时间和可靠性水平，设计了一种ＭＥＭＳ冗余结构的新型温度传感　器。结构基体采用可微加工０．１　ｍｍ厚的　—Ａ１。Ｏ。陶瓷；敏感薄膜由磁控溅射沉积而成，并采用离子束刻　蚀方法加工成标准阻值。分析和测试表明：传感器输出与温度变化呈线性关系，空气状态下的９Ｏ％响应　时间小于６０　Ｓ，在－－２０—１８０℃温区内非线性小于０．０１％。采用二单元冗余设计的并联工作方式可有效提　高传感器的可靠水平。　关键词：温度传感器；冗余设计；响应时间；可靠寿命　中图分类号：ＴＰ２１２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１２）０７－００２３－０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｎ　ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　Ｐｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　

ｂａｓｅｄ　０ｎ　ＭＥＭＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＪＩＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｇｕａｎｇ　，ＤＵＡＮ　Ｃｈｅｎｇ－ｌｉ　，ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｑｕａｎ　（１．Ｔｈｅ　４９ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，　Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１４２．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＥＭＳ　ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｒａｉｓｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　Ｐｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ　—Ａ１２　Ｏ３　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　０．１　ｍｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｉｃｒｏ—ｍａｃｈｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｆｉｌｍｓ　ａｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｔｉｎｇ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｍａｇｎｅｔｉｓｍ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｂｙ　ｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｅｔｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｉｓ　ｌｉｎｅａｒ．９０％ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　６０　Ｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｉｒ．　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒｙ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　０．０１％ｉｎ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－２０℃一１８０℃．Ｔｈｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｏｒｋ　ｍｏｄｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｂｉｎａｒｙ　ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　ｕｎｉｔｓ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｉｍｅ；ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｌｉｆｅ　

传感器研究方法

引言：

传感器是现代科技发展中的重要组成部分，广泛应用于各个领域。传感器研究方法是指为了提高传感器的性能和功能而进行的一系列科学研究和实验方法。本文将从传感器的选择、设计、制造、测试等方面介绍传感器研究的方法和技术。

一、传感器的选择方法

在进行传感器研究之前，首先需要选择合适的传感器。传感器的选择应根据具体的应用场景和测量要求来进行。首先要明确测量的物理量，然后根据物理量的特点选择相应的传感器类型。例如，温度传感器适用于测量温度，压力传感器适用于测量压力等。此外，还需要考虑传感器的测量范围、精度、响应时间、耐久性等指标，以及成本和可靠性等因素。

二、传感器的设计方法

传感器的设计是传感器研究的核心内容之一。传感器的设计应根据测量要求和目标性能来进行。设计传感器时，需要考虑传感器的结构、材料、电路等方面。首先要确定传感器的工作原理和测量方式，然后根据原理选择合适的材料和结构。例如，利用电阻变化原理的传感器可以选择合适的材料和电路设计。此外，还需要考虑传感器的尺寸、重量、功耗等因素，以及传感器与被测对象之间的耦合方式和信号处理方法。

三、传感器的制造方法

传感器的制造是将传感器设计转化为实际产品的过程。传感器的制造需要采用一系列工艺和技术来实现。首先要准备所需的材料和元器件，并进行加工和组装。例如，利用半导体材料制造压力传感器时，需要进行晶圆加工、沉积、刻蚀等工艺步骤。在制造过程中，还需要进行质量控制和测试，以保证传感器的性能和质量。

四、传感器的测试方法

传感器的测试是评价传感器性能和功能的重要手段。传感器的测试应根据测量要求和标准来进行。传感器的测试可以分为静态测试和动态测试两种方式。静态测试是指在静止状态下对传感器进行测试，例如对传感器的灵敏度、线性度、稳定性等进行测试。动态测试是指在动态工况下对传感器进行测试，例如对传感器的响应时间、动态特性等进行测试。传感器的测试需要选择合适的测试设备和方法，并进行数据采集和分析，以评估传感器的性能和可靠性。

实验一 温度传感器非线性误差的理论分析及实验研究 实验目的 1测定负温度系数热敏电阻的电阻一温度特性，并利用直线拟合的数据处理方法，求其材料常量； 2．了解以热敏电阻力检测元件的温度传感器的电路结构及电路参数的选择原则； 3．学习运用线性电路和运放电路理论分析温度传感器电压一温度特性及非线性误差的基本方法； 4．掌握以叠代法为基础的温度传感器电路参数的数值计算技术； 5．训练温度传感器的实验研究能力． 仪器和用具 TS—B型温度传感技术实验仪，电磁恒温搅拌器，ZX21型电阻箱，数字万用表，水银温度计（C100~0），烧杯，变压器油． 实验原理 具有负温度系数的热敏电阻广泛地应用于温度测量和温度控制技术中．这类热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（主要有Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制做而成，它们具有p型半导体的特性．对于一般半导体材料，电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对来说可以忽略．但对上述过渡金属氧化物则有所不同，在室温范围内基本上已全部电离，即载流子浓度基本与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度升高，迁移率增加，所以这类金属氧化物半导体的电阻率下降，根据理论分析，对于这类热敏电阻的电阻一温度特性的数学表达式通常可以表示为 29811exp25TBRRnt （C.1.1） 其中25R和tR分别表示环境温度为C25和t（以℃为单位）时热敏电阻的阻值；T的单位为K，tKT273；nB为材料常量，其大小随制做热敏电阻时选用的材料和配方而异，对于某一确定的热敏电阻元件，它可由实验上测得的电阻一温度曲线的实验数据，用适当的数据处理方法求得． 下面对以这种热敏电阻为检测元件的温度传感器的电路结构、工作原理、电压一温度特性的线性化、电路参数的选择和非线性误差等问题论述如下： 一、电路结构及工作原理 电路结构如图C.1.l(b)所示，它是由含tR的桥式电路及差分运算放大电路两个主要部分组成．当热敏电阻tR所在环境温度变化时，差分放大器的输入信号及其输出电压oV均要发生变化．传感器输出电压oV随检测元件 tR环境温度变化的关系称温度传感器的电压一温度特性．为了定量分析这一特性，可利用电路理论中的戴维南定理把图C.1.1（a）所示的电路等效变换成图C.1.1所示的电路，在图C.1.1中： ttGRRRRR111，attSVRRRE11 （C.1.2） 它们均与温度有关；而 32322RRRRRG，aSVRRRE3232 （C.1.3） 与温度无关．根据电路理论中的叠加原理，盖分运算放大器输出 电压oV可表示为 oooVVV （C.1.4） 其中oV和oV分别为图 C.1.1所示电路中1SE和2SE单独作用时对输出电压的贡献．由运算放大器的理论知： 11SGsfoERRRV，iGsfoVRRRV11 （C.1.5） oV aV sR sR fR fR tR 1R 2R 3R + - 1SE oV sR sR fR fR 1GR 2GR 2SE + - 图C.1.1电路原理图及其等效电路 (a) (b) 式中的iV为2SE单独作用时运放电路同相输入端的对地电压．由于运放电路输入阻抗很大，故 fGsfSiRRRREV22 （C.1.6） 把以上结果代入式（C.1.4），并经适当整理得 12211ssfsGfsGsGfoEERRRRRRRRRV （C.1.7） 由于上式中1GR和1SE与温度有关，所以该式就是温度传感器电压一温度特性的数学表达式，只要电路参数和热敏元件tR的电阻一温度特性已知，式（C.1.7）所表达的输出电压oV与温度t的函数关系就完全确定． 二、电压一温度特性的线化和电路多数的选择 一般情况下，式（C.1.7）表达的函数关系是非线性的，但通过适当选择电路参数可以使得这一关系和一直线关系近似．这一近似引起的误差与传感器的测温范围有关．设传感器的测温范围为21~tt，则2312ttt就是测温范围的中值温度．若对应1t、2t和3t三个温度值，传感器的输出电压分别为1oV、2oV和3oV所谓传感器电压一温度特性的线性化就是适当选择电路参数使得这三个测量点在电压一温度坐标系中落在通过原点的直线上，即要求 01oV，232ooVV，33VVo （C.1.8） 在图所示的传感器电路中，需要确定的参数有七个，即 1R、2R、3R、fR和sR的阻值，电桥的电源电压 aV和传感器的最大输出电压3V，这些参数的选择和计算可按以下原则进行： 1．当温度为1t时，电路参数应使得 01ooVV，这时电桥应工作于平衡状态和差分运放电路参数应处于对称状态，即要求1321tRRRR（热敏电阻在温度1t时的阻值），但为了充分利用成品电阻元件，通常选取ARRR32，11tRR，式中AR为阻值最接近1tR的电阻元件的系列值． 2．为了尽量减小热敏电阻中流过的电流所引起的发热对测量结果带来的影响，aV的大小不应使tR中流过的电流超过mA1． 3．传感器的最大输出电压3V的值应与后面联接的显示仪表相匹配，例如为了使测量仪表的指示与被测温度的数值一致，要求3V在数字上与测温范围（13tt）的数字一致． 4．最后两个电路参数sR和fR的值可按式（C.1.8）所表示的线性化条件的后两个关系式确定，即 1322131333SSfsGfsGsGfoEERRRRRRRRRVV 12221212322SSfsGfsGsGfoEERRRRRRRRRVV （C.1.10） 其中iGR1、iSE1（3,2,1i）是热敏电阻tR所处环境温度为it时按（C.1.2）式计算所得的1GR和1SE值．当电桥各桥臂阻值、电源电压aV和热敏电阻的电阻一温度特性以及传感器最大输出电压3V已知后，在（C.1.9）、（C.1.10）两式中除sR、fR外其余各量均具有确定的数值，这样只要联立求解（C.1.9）、（C.1.10）两式就可求出sR和fR的值．然而（C.1.9）、（C.1.10）两式是以sR和fR为未知数的二元二次方程组，其解很难用解析的方法求出，必须采用数值计算技术． 三、确定sR和fR的数值计算技术 如前所述、方程（C.1.9）和（C.1.10）是以sR和fR为未知数的两个二元二次方程组，每个方程式在（sR和fR）直角坐标系中对应着一条二次曲线，两条二次曲线交点的坐标值即为这个联立方程组的解．这个解可以利用叠代法求得．由于在0sR处与式（C.1.10）对应的曲线对fR轴的截距较式（C.1.9）对应的曲线的截距大（由数值计算结果可以证明），因此为了使叠代运算收敛，首图C.1.2电压-温度特性及非线形误差 tVo 1V 2V 3V 1t V/V 2t 3t t t t C/t 先令0sR代入式（C.1.10），由式（C.1.10）求出一个fR值，然后把这一fR值代入式（C.1.9），并由式（C.1.9）求出一个新的sR值，再代入式（C.1.10）„创此反复叠代，直到在一定的精度范围内可认为相邻两次算出的sR和fR值相等为止． 四、非线性误差的理论分析 热敏元件电阻一温度曲线测定后和aV、3V及电路参数确定后，传感器由式（C.1.7）所表达的电压一温度特性的函数关系tVo就完全确定了，虽然在电路参数的选择上保证了与1t、2t和3t对应的三个测量点在（oV、t）平面上落在通过原点的同一直线上，但在整个测温范围内，式（C.1.7）所表达的电压一温度特性不是一条直线，而是一条如图C.1.2所示的S形曲线．在此情形下，若在传感器的输出端用刻度特性均匀的电压表头来显示温度值，就相当于用上述直线关系代替式（C.1.7）所表达的曲线关系．除1t、2t和3t三个温度值外，对于其余各点，这一替代均存在着由于传感器电压一温度特性的非线性引起的误差，根据图C.1.2所示的关系，在理论上计算这一误差的公式可以写成如下形式： 1313ttVVtttto （C.1.11） 上式中t是传感器探头所在环境的实际温度值，右边第二项（方括弧中的算式）代表具有均匀刻度特性的电压表头显示的温度值t，其中tVo是由实际温度按式（C.1.7）算出的传感器的输出电压． 实验过程 本实验的主要设备是TS—B型温度传感技术实验仪，其电路原理图如图C.1.3所示，使用方法见该仪器的使用说明书．该仪器配上数字万用表、恒温电磁搅拌器、盛有变压器油的烧杯和水银温度计等简单器具就可方便地进行下面各项内容的实验： 1．热敏电阻元件电阻一温度特性的测定 该项测量是设计本温度传感器的基础，要求测量结果在测量器具允许误差范围内尽量准确，为此在测量过程中应特别仔细、认真，尽量减少人为因素的影响．测量时把热敏电阻固靠在C100~0水银温度计的头部后，把温度计及热敏元件浸入盛有变压器油的烧杯内，并用恒温电磁搅拌器加热变压器油．在C75~25的温度范围内，从C25开始，每隔C5用数字万用表测量这些温度下热敏电阻的阻值，直到C75止．为了使测量结果更为准确，可在升温过程和降温过程中各测一次，然后取平均．升温时，升温速度不宜过快．该项测定完成后，采用直线拟合方法处理实验数据，求出式（C.1.1）所表示的热敏电阻的电阻一温度特性中的材料常量nB的实验值． 2．选择和计算电路参数 首先根据实验测得的热敏电阻的电阻一温度特性曲线和两种测温范围（C45~25和C65~25），按前面所论述的原则确定1R、2R、3R、aV和3V然后把式（C.1.9）和式（C.1.10）改写成以下标准形式： 02CBRARss(A，B，C中含fR) （C.1.9’） 02CRBRAff（A，B，C中含sR） （C.1.10’） 并用叠代法计算电路参数sR和fR；然后，按式（C.1.7）和式（C.1.11）计算以上两种测温范围情况下传感器的电压一温度特性及非线性误差的理论值（计算程序自编）． 3．温度传感器的组装与调试 首先调节设置在TS—B型温度传感技术实验仪后面板上的多圈电阻器，使sR和fR的值 为计算结果值（具体调节方法见TS—B型温度传感技术实验仪使用说明书）；然后调节传感器零点和校准量程，具体操作如下． （1）零点调节 调节图C.1.3所示电路中的1w（对应TS—B型温度传感技术实验仪前面板上的“aV调节”旋钮）使传感器的输入桥式电路的电源电压aV为设计时的选定值，然后用ZX21型电阻箱代替热敏元件tR接入传感器电路，并把电阻箱的阻值调至1tR（即热敏元件在1t时的阻图C.1.3 TS-B型温度传感技术实验仪电路原理图 oV aV sR sR fR fR tR 1R 2R 3R + - + - 1W V5 温度数字 显示电路 值），用数字万用表mV200档观测传感器的输出电压oV是否为零，若不为零，调节图C.1.3中的1R（对应仪器前面板上的“调零旋钮”）使oV值为零（允许mV1的误差）． （2）量程校准 完成零点调节后，把代替热敏电阻的电阻箱阻值调至3tR（即热敏元件在3t时的阻值），用数字万用表观测传感器输出电压oV是否为设计时所要求的3V值．如果不是，再次调节1w改变电桥电源电压aV，使 3VVo．在完成以上调节工作后，注意保持“零点调节”和“aV调节”旋钮位置不变． 4．传感器电压一温度特性的测定 把测温范围分成10个等间隔的子温区，加热变压器油，当温度计示值低于3t约C5时就停止加热（但不停止搅拌），由于加热器有余热，变压器油的温度会继续升高，当温度计示值高于3t的某一最高温度后，变压器油便处于降温状态．在降温过程中，测量和记录下以上各子温区交界点温度对应的传感器输出电压oV值，并与按式（C.1.7）计算的理论值列表进行比较． 5．温度的数字显示 为了用数字万用表的mV200挡实现起始温度1t及测温范围 31~tt内温度传感器温度的数字显示，在mV200数字表头和图C.1.3所示的温度一电压变换电路之间需设置一个处理电路，试根据模拟电子线路理论自行设计一个具有这种功能的处理电路并拟定出相应的调试步骤． 数据处理 1．根据实验数据在直角坐标纸上绘出tR的电阻一温度特性曲线；并在同一坐标纸上绘出根据实验求出的nB值由式（C.1.1）表示的特性曲线． 2．就某一测温范围的传感器，在同一直角坐标系中绘出电压一温度特性的理论计算曲线和实验测定曲线． 3．列表比较两种不同测温范围的传感器非线性误差随温度变化的理论值与实测值． 4．对实验结果进行分析、讨论和评定．

温度传感器论文

徐彬杰

（四川大学 物理学院 学号：1142021030）

摘要: 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器。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。半导体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。半导体具有很宽的温度反应特性,各种半导体的温度反应区段不同。本文主要论述了通过使用DH-SJ5温度传感器实验装置探究几种不同类型的温度传感器的原理和温度特性。本文主要讨论了DH-SJ5通过使用DH-SJ5温度传感器实验装置探索一些不同类型的温度传感器原理及温度特性。

关键词：温度传感器，DH-SJ5恒温装置，九孔板

一、温度传感器概述

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。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。

二 、温度传感器的类型

2.1电阻式传感器

热电阻式传感器是利用导电物体的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt=Rt0[1+α (t-t0)]

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为

tBtAeR