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半导体陶瓷传感器的热敏特性和工作原理解析

发布日期:2019-11-26 18:59 作者:双色球

  材料与金属传感器材料相比,其主要特点是弹性性能高、滞后小,在小位移时其耐疲劳性、长期稳定性及耐腐蚀性均较好。陶瓷在破碎以前,其-应变关系始终保持线性,最适于制作高温工作下的弹性元件。同时,陶瓷材料价格低廉,因此,在传感器材料中陶瓷材料受到髙度重视。

  陶瓷传感器材料可分为两类:检测能量的物理传感器材料和识别化学物质及其含量的化学传感器材料。前者敏感光、热、压力和声等能量,可构成热、位置、速度、红外等传感器;后者接受化学物质而产生能量变化,可构成气敏等传感器。传感器用陶瓷材料的种类较多,但大都是氧化物陶瓷。

  在家用电气产品、汽车和工厂过程控制中,使用最多的敏感元件是热敏元件,下表列出陶瓷敏感元件的机理、材料和用途。

  热敏电阻是陶瓷热敏元件的代表,如上图所示,它可分为NTC(负温度系数)、PTC(正温度系数)和CTR(临界温度)热敏电阻。NTC热敏电阻以NiO,CoO和Mn02等过渡金属氧化物为主要成分,多数是近似尖晶石的晶体结构。通常,这些半导体的电阻不受氧影响,在空气中稳定性好,杂质的影响也较小,它们是热敏电阻的良好材料,工作温度范围为-20〜+300℃。

  汽车、锅炉等用的高温热敏电阻材料可用Zr02﹣Y203,ZrO2﹣CaO系萤石结构的离子导体,以及CoO﹣AI203系尖晶石型结构的电子导体。氧离子导体的Zr02系元件可使用稳定化的立方晶体结构的氧化锆陶瓷材料,实现稳定化的方法是添加少量Ca0,Mg0,Y203等,使之与Zr02构成置换形固溶体,从而消除由于伴随1000〜1100℃时产生的单斜晶系、正方晶系的相变而产生的急剧体积变化。

  电子导体的种类很多,但能用于高温的不多。通常多数电子导体的过渡金属氧化物在1000℃附近有相变点,为了稳定性能,必须充分老化。此外,气氛会使氧化状态发生变化,故需要用抗气氛性能好、髙温没有相变的配方,以及老化性能好的组分。

  PTC热敏电阻的材料主要是钛酸钡系半导体陶瓷,其电阻开始急剧增大的温度可通过化学组分控制。该热敏电阻不仅可用作测温热敏元件,还可用作能起开关作用的控温元件及电阻加热元件,因此,它可同时兼有敏感元件、加热器和开关三个功能。当发热体的温度上升到特定温度时电阻增加,从而限制电力消耗,故发热体有保持特定温度的功能。这种热敏电阻可用于暖风器、被褥干燥等。

  以矾系(VO2)为主要成分的热敏电阻,与钛酸钡系半导瓷相反,它在70℃附近电阻急剧减小。产生这种现象是因为VO2在70℃附近晶体结构发生变化,使其由半导体性导电变为金属性导电。利用这种现象制作的热敏电阻称临界温度热敏电阻(CTR),这种热敏电阻可用于检测特定温度的转变点,作为制造红外探测器和温度报警器等的敏感元件。

  以Mn﹣Zn系铁氧体为代表的磁性材料,一旦达到居里温度,将产生铁磁性-顺磁性转变。这种特性的重复性好,可用它构成准确的感温元件。添加少量元素,能提高磁性材料的抗热能力、机械强度、热导率,并可使居里温度附近的磁化率变化显著。磁性瓷材料(也称磁性材料为黑瓷)的特点如下:

  利用磁性瓷材料的上述性质可构成热反应器开关,它由感温铁氧体和磁铁组成,并由温度控制导向开关。这种热反应器开关可用作电炉、干燥器、电子炉的温度控制,以及防止过冷、过热和报知火灾的温度监视。

  稳定的氧化锆除用作前述的氧敏元件外,还可用作高温热敏元件。用氧化锆构成浓差电池,其两端在600℃以上产生电动势,若预先使两端的氧分压固定,则根据所测得的电动势,由能斯脱公式可求出温度。这种氧化锆的抗热性能好,其电动势跟温度成正比,故可用它制作温度测量和控制用的高温热敏元件。

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  TMP75和TMP175器件属于数字温度传感器,是负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)热敏电阻的理想替代产品。无需校准或外部组件信号调节即可提供典型值为1C的精度。器件温度传感器为高度线性化产品,无需复杂计算或查表即可得知温度。片上12位模数转换器(ADC提供低至0.0625C的分辨率。这两款器件采用行业标准LM75 SOIC-8和MSOP-8封装。 TMP175和TMP75与SMBus,两线器件允许一条总线都具有SMBus报警功能。 TMP175和TMP75 TMP175和TMP75器件的额定工作温度范围为-40C至+125 ℃。 TMP75生产单元完全通过可追溯NIST的传感器测试,并且已借助可追溯NIST的设备使用ISO /IEC 17025标准认可的校准进行验证。末尾新增了一段内容 特性 TMP175:27个地址 TMP75:8个地址,美国国家标准与技术研究所(NIST)可追溯 数字输出:SMBus...

  TMP102器件是一款数字温度传感器,非常适合需要高精度的NTC /PTC热敏电阻更换。该器件提供0.5C的精度,无需校准或外部元件信号调理。 IC温度传感器是高度线性的,不需要复杂的计算或查找表来得出温度。片上12位ADC的分辨率低至0.0625C。 1.6 mm×1.6 mm SOT-563封装的占位面积比SOT-23封装小68%。 TMP102器件具有SMBus,双线 C接口兼容性,并允许一条总线上最多四个器件。该器件还具有SMBus报警功能。该器件的工作电压范围为1.4至3.6 V,在整个工作范围内的最大静态电流为10A。 TMP102器件非常适合各种通信中的扩展温度测量,计算机,消费者,环境,工业和仪器仪表应用。该器件的工作温度范围为40C至125C。 TMP102生产单元100%经过NIST可溯源传感器测试,并经过设备验证NIST可通过ISO /IEC 17025认证校准进行追溯。 特性 SOT-563封装(1.6毫米×1.6毫米)比SOT-23占地面积小68% 无校准精度: 2.0C(最大值)...

  TMP100和TMP101器件是数字温度传感器,适用于负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)热敏电阻更换。这些器件的典型精度为1C,无需校准或外部元件信号调理。设备温度传感器是高度线性的,不需要复杂的计算或查找表来获得温度。片上12位ADC的分辨率低至0.0625C。这些器件采用6引脚SOT-23封装。 TMP100和TMP101器件具有SMBus,双线 C接口兼容性。 TMP100设备允许一条总线上最多八个设备。 TMP101器件提供SMBus报警功能,每条总线最多三个器件。 TMP100和TMP101器件是各种通信,计算机,消费类,环境,工业和仪器仪表应用中扩展温度测量的理想选择。 指定了TMP100和TMP101器件适用于-55C至125C的温度范围。 特性 数字输出:SMBus,双线 C接口兼容性 分辨率:9至12位,用户可选择 准确度: 1C(典型值)-55C至125C 2C(最大值)-55C至125C ...

  TMP100和TMP101器件是数字温度传感器,适用于负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)热敏电阻更换。这些器件的典型精度为1C,无需校准或外部元件信号调理。设备温度传感器是高度线性的,不需要复杂的计算或查找表来获得温度。片上12位ADC的分辨率低至0.0625C。这些器件采用6引脚SOT-23封装。 TMP100和TMP101器件具有SMBus,2线 C接口兼容性。 TMP100设备允许一条总线上最多八个设备。 TMP101器件提供SMBus报警功能,每条总线最多三个器件。 TMP100和TMP101器件是各种通信,计算机,消费类,环境,工业和仪器仪表应用中扩展温度测量的理想选择。 指定了TMP100和TMP101器件适用于-55C至125C的温度范围。 特性 数字输出:SMBus,双线 C接口兼容性 分辨率:9至12位,用户可选择 准确度: 1C(典型值)-55C至125C 2C(最大值)-55C至125C ...

  TMP112-Q1器件是一款数字温度传感器,在要求高精度的应用中是NTC /PTC热敏电阻的理想替代品。该器件在未经校准或无外部组件信号调节的情况下可提供的精度为0.5C.IC温度传感器为高度线性化产品,无需复杂计算或查表即可得知温度。此器件还具有可提高精度的校准功能,用户可借此功能将精度校准到0.17C(请参见 校准以提高准确度 部分)。片载12位模数转换器提供的分辨率低至0.0625C。 1.6mm×1.6mm SOT563封装尺寸较SOT23封装减小68 %.TMP112-Q1器件特性SMBus,两线 C接口兼容性,最多允许四个器件位于一条总线上。该器件还特有SMBus警报功能。器件的额定工作电压范围是1.4V至3.6V,整个工作范围内最大静态电流为10A。 TMP112-Q1器件非适用于控制单元,温度控制,信息娱乐和传感器模块等应用中的扩展温度测量。器件的额定工作温度范围为-40C至+ 125℃。 特性 具有符合AEC-Q100标准的以下结果: 温度1级:-40C至125C的环境工作温度范围 ...

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