综上所述，在恒流供电条件下，PN结的VF对T的依赖关系取决于线性项V1，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测量温度的理论依据。必须指出，上述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管来说，温度范围约?50?C~?150?C）。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离

VF~T关系将产生新的非线性，因子减小或本征载流子迅速增加，这一现象说明VF~T的特性还随PN结的材料而异，对于宽带材料（如GaAs, Eg?1.43eV）的PN结，其高温端的线性区域宽；而材料杂质电离能小（如InSb）的PN结，则低温端的线性范围宽。对于给定的PN结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高

dVd2V1低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数2?可知，n1

TdTdT的变化与Vn1成反比，所以VF~T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小IF ，可以改善线性度，但并不能从根本上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种：

1. 利用对管的两个be结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个PN结），分别在不同电流IF1, IF2下工作，由此获得两者之差?IF1?IF2?与温度成线性函数关系，即：

VF1?VF2?IK?T?1nF1 qIF2 由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍然存在差距，但对于单个PN

结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成电路温度传感器。

2．采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自Tr项，利用函数发生器，IF比例于绝对温度的r次方，则VF~T的线性理论误差为??0。实验结果与理论值比较一致，其精度可达0.01?C。 三、实验内容和方法 1．实验系统检查与连接:

（1）根据图1了解待测PN结管和测温传感器及加热部件的结构，可取下隔离圆筒的筒套（左手扶筒盖，右手扶筒套逆时针旋转）。

图1中：①—加热电源插口， ②—接线盒， ③—加热管（铜管内部）， ④—温度传感器（AD590）， ⑤—加热铜块， ⑥—PN结管（1815三极管） ⑦—信号输入接口。 （2）用七芯插头导线、二芯插头导线各1根分别连接测试仪器的“加热电源”、“信号输入”与测试架接线盒上的两插座。 “加热电流”开关置“0”位置，在连接导线时，应先对准插头与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插头待插入后

与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的插头应旋松，决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。

2．转动“加热电流”开关，从“0”至“0.1”A，预热几分钟后，此时测试仪上将显示出室温为TR， :再与标准温度计上的指示值相比 图1

较，若不准确，用小一字螺丝刀调节“温度校准”电位器，使测试仪上显示的温度与标准温度计相同。记录下起始温度TR ，然后切断加热电流。 3．VF?0? 或VF?TR?的测量和调零:

将“测量选择”开关拨到IF，由“IF调节”使IF?50μA ，将“测量选择”开关拨到

VF，记下VF?TR?值，再将“测量选择”开关置于?V，由“?V调节”使?V?0。

本实验的起始温度如需从0 ?C开始，则需将隔离圆筒置于冰水混合物中，待显示温度至0 ?C 时，再开始进行测量。 4．测定?V?T曲线:

开启加热电流（指示灯亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的?V 和

T，至于?V、T的数据测量，采用每改变10mV立即读取一组?V、T值，这样可以减小测量误差。应该注意：在整个实验过程中要注意升温速率要慢，且温度不宜过高，最好控制在120?C以内。

5．求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S?mV/?C? 以T为横坐标，?V为纵坐标，作?V?T曲线，其斜率就是S。

6．估算被测PN结材料的禁带宽度。根据（6）式，略去非线性项，可得:

Vg?0??VF1??VF1?T1?VF1?S?T1

?T实际计算时将斜率S、温度T1 （注意单位为K）及此时的VF1值代入上式即可求得Vg?0?，禁带宽度Eg?0??q?Vg?0?。将实验所得的Eg?0?与公认值Eg?0??1.21eV比较，求其误差。 7．数据记录:

实验起始温度：TR? ?C ；工作电流：IF? mA； 起始温度为TR时压降：VF?TR?? mV； 控温电流： A ； 8．改变加热电流重复上述步骤进行测量，并比较两组测量结果。 9．改变工作电流IF?100μA重复上述（1～7）步骤进行测量，并比较两组测量结果。 四、选做内容

根据实验原理及结论将该PN结制成温度传感器，使其灵敏度最大，试确定其工作

电流及其测量范围，并标定其刻度。 五、预习思考题

1．测VF?0?或VF?TR?的目的何在？为什么实验要求测?V?T曲线而不是VF?T曲线。

2．测?V?T为何按?V的变化读取T，而不是按自变量T读取?V。

3．在测量PN结正向压降和温度的变化关系时，温度高时?V?T线性好，还是温度低好？

4．测量时，为什么温度必须控制在T??50?C~?150?C范围内？

【附录一】

1．（2）式的证明参阅黄昆，谢德著的半导体物理。

2．r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r?3.4 。 实验数据及处理（供参考）

PN结温度特性测试实验数据示范参考表 测试条件If?50μA T (?C) 32.0 35.4 40.4 45.0 49.6 54.2 58.9 63.4 68.0 72.5 77.2 81.7 86.2 90.7 95.2 99.7 104.2 108.9 113.3 117.7 测试条件If?100μA T (?C) 40.7 45.8 49.3 53.7 58.2 62.7 67.3 71.9 76.6 81.2 85.9 90.6 95.3 100.1 104.9 109.6 114.5 119.3 ?V (mV) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 T (K) 305.2 308.6 313.6 318.2 322.8 327.4 332.1 336.6 341.2 345.7 350.4 354.9 359.4 363.9 368.4 372.9 377.4 382.1 386.5 390.9 ?V (mV) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 T (K) 313.9 319 322.5 326.9 331.4 335.9 340.5 345.1 349.8 354.4 359.1 363.8 368.5 373.3 378.1 382.8 387.7 392.5 根据表格中的数据,用Excel作图,并写出线性方程和相关系数。请参看下图。 说明：以下图形是用Excel作图后，再用图板修改的。

第五章 传感器设计实验仪

一、实验仪组成

传感器实验仪：主要由机壳、机头（传感器安装台）、显示面板、调理电路面板（传感器输出单元、传感器转换放大处理电路单元）等组成。

1、 机壳：

机壳内部装有直流稳压电源、振荡信号板等。

2、机头（传感器安装平台）：

机头图

由悬臂双平行梁和振动台组成。

⑴、双平行梁（应变梁）：

在双平行梁的上、下梁片表面粘贴了应变片；封装了PN结、NTC RT热敏电阻、热电偶、加热器；在梁的自由端安装了压电传感器、激振器（磁钢、激振线圈）和测微头。

测微头：调节测微头产生力或位移，做静态实验。 激振器：激励双平行梁振动，做动态实验。 ⑵、振动台：

在振动台周围安装了光电转速传感器、电涡流传感器、光纤传感器、差动变压器、压阻式压力传感器、电容式传感器、磁电式传感器、霍尔式传感器；在振动台的下方安装了激振器（磁钢、激

振线圈）；在振动台的上方安装了测微头。

测微头：调节测微头产生力或位移，做静态实验。 激振器：激励振动台梁振动，做动态实验。

3、显示面板：

由主电源单元、电机控制单元、直流稳压电源单元、F／V表（电压表）单元、PC口单元、电流表（频率／转速表）单元、音频振荡器单元、低频振荡器单元、±15V电源单元等组成。

4、调理电路面板：

由传感器输出单元、副电源、电桥、差动放大器、电容变换器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等组成。

5、数据采集卡及处理软件：详见三、V9.0数据采集卡及处理软件。

＊备注：实验仪的具体配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。

二、主要技术参数、性能及说明

（一）、传感器（机头）部分：

1、电阻应变片：电阻值350Ω左右；应变系数为2。

2、热电偶：直流电阻10Ω左右（由两个串接而成）；分度号为T；冷端为环境温度。 3、热敏电阻：NTC半导体热敏电阻；25℃时为10KΩ左右。

4、PN结温度传感器：利用1N4148良好的温度线性电压特性；灵敏度为-2.1mV/℃。 5、压电加速度传感器：由压电陶瓷片和铜质量块构成；电荷灵敏度为20pc/g。 6、光电转速传感器：透射式光电耦合器（光电断续器）；TTL电平输出。 8、电涡流传感器：直流电阻1Ω～2Ω；位移量程≥1mm。

9、光纤传感器：由半圆双D分布的多模光纤和光电变换座构成；位移量程≥1mm。

10、差动变压器：一个初级线圈、二个次级线圈（自感式）和铁芯构成；三个线圈直流电阻分别为5～10Ω；音频3KHz～5KHz、电压峰峰值为Vp-p＝2V激励；位移量程≥±4mm。

11、压阻式压力传感器： Vs—Vs 端直流电阻为4.7KΩ左右、 Vo—Vo端直流电阻为7KΩ左右；4V直流电源供电；量程为20kPa 。

12、电容式传感器：由两组定片和一组动片构成差动变面积电容；量程≥±2mm 。 13、磁电式传感器：由线圈和动铁构成；直流电阻30Ω～40Ω；灵敏度为500mV/（m/s）。 14、霍尔式传感器：霍尔片置于环形磁钢产生的梯度磁场中构成位移传感器；传感器激励端口直流电阻800Ω～1.5KΩ，输出端口直流电阻400Ω～600Ω；位移量程≥1mm。

15、气敏传感器：酒精敏感型，TP-3集体半导体气敏传感器；测量范围50～500ppm。 16、湿敏传感器：电阻型，阻值变化几MΩ～几KΩ；测量范围30％RH～90％RH。 17、激振线圈：振动激振器，直流电阻30Ω～40Ω。

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