温度传感器的温度特性测量实验.docx

温度传感器的温度特性测量实验【目的要求】测量PN结温度传感器的温度特性；测试PN结的正向电流与正向电压的关系（指数变化规律）并计算出玻尔兹曼常数实验仪器】FD-ST-TM温度传感器温度特性实验模块流源、直流电桥、PtIOO铂电阻温度传感器、（需配合FD-ST系列传感器测试技术实验仪）含加热系统、恒NTC1K热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器、电流型集成温度传感器AD590电压型集成温度传感器LM35实验插接线等）实验原理】“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用广泛温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见下表器感传C/占小特热电阻阻电白O56、高度确准阻电同阻电鎳性线差性致一热.3z(\白-铐白3BBz(\铐白-铐白F61曰亠电偶z(\硅鎳-鎳O1点冰占小巳z(\铜廉-鎳OJz(\其它差性致一、高度敏灵0好性致一PN结温度传感器1.测试PN结的Vbe与温度变化的关系，求出灵敏度、斜率及相关系数PN结温度传感器是利用半导体PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的b、c极短路，用b、e电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。

通常将硅三极管Vbe—般约为600mV极之间的PN结作为温度传感器测量温度硅三极管基极和发射极间正向导通电压(25C),且与温度成反比线性良好，温度系数约为-2.3mV/C,测温精度较高，测温范围可达-50150C缺点是一致性差，互换性差通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足(1)式=iseqU/kT(i)在常温条件下，且eqU/KT1时，(7)式可近似为.qU/kT-1se(7)、(8)式中：q-1.60210」9;C为电子电量，k=1.381lO^J/K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度；Is为反向饱和电流；正向电流保持恒定条件下，PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系U=Kt+Ugo(3)(3)式中Ugo为半导体材料参数，K为PN结的结电压温度系数实验测量如下图图中用恒压源串接51K电阻使流过PN结的电流近似恒流源2.玻尔兹曼常数测定PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础之一模块通过专用电路来测量研究PN结扩散电流与结电压的关系，证明此关系遵循指数变化规律，并准确的推导出玻尔兹曼常数(物理学的重要常数之一)由半导体物理学可知，PN结的正向电流一一电压关系满足式(1)，式(1)中，I是通过PN结的正向电流，Is是不随电压变化的常数(漏电流)。

T是热力学温度e是电子的电荷量，U为PN结正向压降由于在常温(300K)时KT/e〜0.026V，而PN结正向压降约为几百毫伏，则exp(eU/KT)>>1,则式(1)中-1项可忽略，于是有:.qU/kT=1se即:PN结正向电流随正向电压按指数规律变化如测出PN结I-U关系值，则利用式(1)可以求出e/KT在测得实际温度T后就可以得到e/K常数，把电子电荷量代入即可求得玻尔兹曼常数Ko在实际测量中，二极管的PN结I-U关系虽也满足指数关系，但求得的K往往偏小，这是因为通过二极管电流一般包括三个成分：[1]扩散电流，它严格遵循式(8);[2]耗尽层复合电流，它正比于exp(eU/2KT);[3]表面电流，它是由Si和SiO?界面中杂质引起的其值正比于exp(eU/mKT),—般m>2>因此为了准确的推导出K,不宜采用二极管，而采用硅三极管，且接成共基极电路因为此时三极管C和B短接，C极电流仅仅是扩散电流，复合电流主要在B极中出现这样测量E极电流就能得到满意的结果实验内容】1.玻尔兹曼常数测定按实验要求接好电路为保证改变I-U值时PN结温度不变，将PN结插入干井炉井内并将温度设定控制50C(±0.1C),调节电位器改变U1(Ube)和U2(Lb)值，每间隔0.02V测一点，约测10点左右，至U2值达到饱和时(U2值变化很小或基本不变)结束测量。

数据记录如下：t=50°CU/V0.3000.3200.3400.3600.3800.4000.4200.4400.4600.480U/V曲线拟合：运用最小二乘法将实验数据分别代入线性回归，指数回归，乘幕回归这三种常用的基本函数，然后求出衡量各回归函数的好坏标准差S对已测出的U1和U2,多对数据，以U1为自变量，U2作因变量，分别代入(1)线性函数U2=aU1+b;(2)乘幕函数U2=aU1b;(3)指数函数U2=exp(bU1)求出各函数的a和b的值，得出三种函数式究竟哪一种符合物理规律必须用标准差来检验办法为：把实验测①得的各个自变量U1分别代入三个基本函数，得到相应因变量的预期值U2”，并由此求出各函数拟合的标准差：ns=(Ui—Ui*)2/n](4)式中n为测量数据个数，Ui为实验测得的因变量，Ui*为将自变量代入基本函数后得到的因变量预期②计算e/K常数，将电子电量作为标准代入式（1），即可求出玻尔兹曼常数，并说明玻尔兹曼分布律的物理含义2.PN结温度传感器温度特性的测试将控温传感器PtIOO铂电阻（A级），插入干井炉中心井，PN结温度传感器插入干井炉一个井内按要求插好连线从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10C控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量，得到结果如下表t/c30354045505560657075Ube/V用最小二乘法直线拟合，求出结果。