温度传感器的四种类型及原理

温度传感器的四种类型及原理

温度传感器的四种类型及原理，传感器也慢慢的在发展与完善，它具有一定的转换能量的作用，在各行各业我们其实都能看到传感器的身影，那么下面为大家分享温度传感器的四种类型及原理。

温度传感器的四种类型及原理1

1、接触式温度传感器

接触式温度传感器的检测元件与被测对象之间可以良好的接触。它通过传导或者对流使之达到热平衡状态,从而使温度计的显示数值能直接表示被测对象的温度。

2、非接触式温度传感器

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,这种传感器一般用于测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速的对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。

3、热电阻温度传感器

热电阻温度传感器是利用导体或者半导体的电阻值随其温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器。对于不同导体(半导体)来说,温度每变化一度,电阻值变化是不同的,而电阻值又可以直接作为输出信号。

4、热电偶传感器

热电偶是由两种不同成份的导体接合而成的回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生热电动势,这种现象叫做热电效应,这种电动势叫热电势。其中,直接用作测量介质温度的一端叫做测量端,另一端叫做补偿端

补偿端与显示仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电动势。不同材质制作出的热电偶使用于不同的温度范围,它们的灵敏度也不相同。制作热电偶的金属材料必须具有很好的延展性,所以热电偶测温元件具有极快的响应速度,可以测量温度快速变化的过程

温度传感器的四种类型及原理2

1、热电偶的工作原理

当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为 T，称为工作端或热端，另一端温度为 TO，称为 自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，如图 2-1(a)所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞 贝克效应。

与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连 接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二， 当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于 温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。

两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质 及在接触点的温度有关。

温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生 的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集 中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。

当回路断开时，在断开处 a，b 之间便有一电动势差△V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图 2-1(b)所示。并规定在冷端，当电流由 A 流向 B 时，称 A 为正极，B 为负极。实验表明，当△V 很小时，△V 与△T 成正比关系。定义△V 对△T 的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。

目前，国际电工委员会（IEC）推荐了 8 种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为 T 型、E 型、J 型、K 型、N 型、B 型、R 型和 S 型。

2、热电阻的工作原理

导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的`温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。

纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。②电阻率高，热容量小，反应速度快。③材料的复现性和工艺性好，价格低。④在测温范围内化学物理特性稳定。目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。

3、红外温度传感器

在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于 0、75～100μm 的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。

SMTIR9901/02 是荷兰 Smartec Company 生产的一款现在市场上应用比较广的红外传感器，它是基于热电堆的硅基红外传感器。大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的黑色吸收层将入射的放射线转化为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线是成比例的， 通常热电堆是使用 BiSb 和 NiCr 作为热电偶。此外，

SMT9902sil 内部嵌入以 Ni1000 温度传感器和一小视角的硅滤片，使得测量温度更加的准确。因为红外辐射特性与温度相关，可以使用不同的滤镜来测量不同的温度范围。成熟的半导体工艺是产品小型化，低成本化。为了满足某些应用，红外传感器开口视角可以设计成小至 7°。

4、模拟温度传感器

常见的模拟温度传感器有 LM3911、LM335、LM45、AD22103 电压输出型、AD590 电流输出型。

AD590 是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为 3~30V， 输出电流 223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为 1μA/℃。当在电路中串接采样电阻 R 时，R 两端的电压可作为输出电压。

注意 R 的阻值不能取得太大， 以保证AD590 两端电压不低于 3V。AD590 输出电流信号传输距离可达到 1km 以上。作为一种高阻电流源，最高可达 20MΩ，所以它不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

5、逻辑输出型温度传感器

设定一个温度范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510 是其典型代表。

LM56 是 NS 公司生产的高精度低压温度开关，内置 1、25V 参考电压输出端。最大只能带 50μA 的负载。电源电压从 2、7~10V，工作电流最大 230μA，内置传感器的灵敏度为 6、2mV/℃，传感器输出电压为 6、2mV/℃×T+395mV。

6、数字式温度传感器

它采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用 PTAT 结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT 的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：DC=0、32+0、0047*t，t 为摄氏度。

输出数字信号故与微处理器 MCU 兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于 0、005K。测量温度范围-45 到 130℃，故广泛被用于高精度场合。

温度传感器的四种类型及原理3

一、温度传感器有哪几种

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

（一）按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。

1、接触式

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差。

常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等，广泛应用于工业、农业、商业等部门。

2、非接触式

它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。

非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

（二）按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

1、热电阻

热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。

温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。

热敏电阻还有其自身的测量技巧。热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。

2、热电偶

热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，也是最便宜的。电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。

二、各种温度传感器工作原理

1、热电偶传感器工作原理

当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端或冷端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。

与塞贝克有关的效应有两个，其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)。称为珀尔帖效应。其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时。导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应，两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。

2、电阻传感器工作原理

导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：

(1)、电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。

(2)、电阻率高，热容量小，反应速度快。

(3)、材料的复现性和工艺性好，价格低。

(4)、在测温范围内化学物理特性稳定。

目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。

3、红外温度传感器原理

在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0、75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。

手机和平板电脑可以像报纸一样卷起来，隐形眼镜中集成的屏幕能够直接读取信息......这些听起来非常科幻的场景，在新型二维材料的推动下，正不断趋于现实。

二维材料 是一种具有单个或几个原子层厚度的新型晶体材料，目前已经发展成为一个完整的材料体系，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体，铁电、铁磁、反铁磁等各种类型。高质量的二维材料在 探索 新的物理现象及进一步扩展其在微电子和光电子领域的应用方面发挥着重要作用。

松山湖材料实验室副主任张广宇研究员所带领的二维材料团队围绕二维材料的研究、制备及应用开展了一系列工作，并取得了国际领先的研究成果。

如今，“石墨烯”已成为大众所熟知的“明星材料”，石墨烯电池等产品也已逐步在商业领域有所应用。早在2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，从而引发了二维材料研究的热潮，相关研究者因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

近年来，在半导体器件发展微型化和柔性化的驱动下，二维材料由于其优异的光、电、机械性能（例如高灵敏度、超高透明度以及半导体特性等），表现出了独特的优势。

“二维材料的特殊性质赋予了它们广泛的应用前景。首先在物理属性上， 二维材料只有一个原子层厚度，这就使得该类材料具有超高的透明度以及良好的柔韧性。 ”张广宇介绍，未来，二维材料一个重要的应用方向就是柔性透明电子器件。

“二维材料表面没有悬键，外延生长制备的过程中对晶格匹配度要求不高，属于范德瓦尔斯外延，对材料和工艺基本没有限制要求。”张广宇表示。

二维材料的出现，为突破传统半导体器件在性能上的各种限制提供了新的途径，为实现各种功能应用提供了新的思路。

在不到一个指甲盖大小的面积上，可以集成超过1500个柔性二硫化钼场效应晶体管器件。2020年9月，张广宇所带领的团队在电子学期刊《Nature electronics》上发表了论文《基于单层二硫化钼场效应晶体管的大面积柔性透明电子器件》。

该团队利用外延生长得到的四英寸高质量、高定向单层二硫化钼薄膜，结合传统的微加工工艺，通过优化绝缘层与接触电阻，制备出了大面积柔性透明的二硫化钼场效应晶体管及各种逻辑器件。器件表现出了优异的特性： 晶体管器件密度可达1518个/平方厘米，成品率高达97%，是目前已报道结果中最高指标，处于国际领先水平 ；单个器件也表现出较好的电学性能和柔韧性。

张广宇指出，“目前，成熟的半导体工艺多采用8寸或者12寸硅材料晶圆，尺寸越大，集成芯片就越多，成本也越低。所以要实现大尺寸二硫化钼晶圆的制备也是一样的思路，但是越大的尺寸，也意味着更高的技术要求。”

大面积高质量的二硫化钼薄膜的制备，还存在晶粒尺寸较小、晶界多、取向随机等问题。 为解决这一难题，张广宇团队利用自主设计搭建的多源化学气相沉积系统，采用立式生长和多点形核的方法，在蓝宝石衬底上外延制备出了四英寸高质量连续的单层二硫化钼晶圆。

他这样形容其中的原理，“就像拿一个喷壶往墙上喷水，第一代设备只有一个喷头，这时喷的区域比较小；第二代设备是用三个喷头一起喷，这样喷出的面积就能扩大三倍；第三代设备是用六个源一起喷，这种情况下喷出的区域更大，更均匀。”

“二维半导体材料具 有很多优异的特性，可以弥补硅以及其它半导体材料在应用方面的不足，发挥材料自身的优势，实现一些新的、更加契合的应用场景。比如柔性可穿戴器件，超灵敏探测器等。 ”他表示，二维材料不是万能的，而是有适合自身的特殊应用场景，应该利用这些特点来开发它相对应的产品。

2019年初，松山湖材料实验室二维材料团队开始起步建设。他表示，二维材料团队主要聚焦有应用前景的材料研究。二维材料要真正应用到实际生活中，还要经历一段必不可少的过程，包括验证二维材料在原理和技术上的可行性，优化各种工艺参数、提高器件各方面性能等。

二维材料团队作为一个新团队，团队搭建是最重要的工作之一。目前团队固定成员不到十人，均具有不同的研究背景。“既有做材料的，也有做器件的；既有做加工和器件制备的，也有做表征和测量的......”张广宇表示，团队工作需要成员相互配合，这样才能更加高质量、高效率开展研究工作。

随着松山湖材料实验室建设步入正轨，越来越多优秀的海外研究人才选择加入实验室，在此开展自己的科研工作。团队中两位骨干青年科研人才，就是张广宇到欧洲宣讲时招聘引进的。在他看来，这是一个不错的兆头。“松山湖材料实验室作为广东省布局建设的新型科研机构，各方面资源相对充足，具备较强的吸引力。同时东莞也为科研人才提供了一个能够安心做事、专心科研的舞台。”

半导体工艺技术有很多，每种工艺都有其特定的优势和劣势，没有一种工艺能够满足所有的应用需求，因此，选择哪种工艺是根据应用的具体要求而定的。

常见的半导体工艺有：晶圆切割、晶圆研磨、光刻、掩膜、熔融清洗、热处理、化学镀、接极等。

其中，晶圆切割、光刻、掩膜、熔融清洗、热处理、化学镀、接极等是半导体八大工艺，这八种工艺是半导体制造过程中最重要的工艺，也是最常用的工艺。

每种工艺都有其优势和劣势，没有一种工艺能够满足所有的应用需求，因此，选择哪种工艺是根据应用的具体要求而定的，没有哪一种工艺是最好的。

---