CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN

GVHD: Ts. ĐÀO THÁI DIỆU
NTH: Nhóm 9
CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN
TIỂU LUẬN MÔN: THIẾT BỊ ĐO TRONG HÓA HỌC
NỘI DUNG
NTC-NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN ÂM
PTC- NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN DƯƠNG
1
Giới thiệu cảm biến nhiệt độ
2
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
3
Ưu nhược điểm nhiệt điện trở bán dẫn
Nhiệt độ: là số đo cường độ chuyển động hỗn độn của các phân tử
cấu tạo nên vật thể. Nhiệt độ là một đại lượng vật lý thể khối như
ánh sáng, nhưng có đặc trưng quán tính, do vậy chỉ có thể xác định
gián tiếp thông qua tính chất trạng thái đã biết trước của sự vật có
liên quan tới nhiệt độ.
Thang nhiệt độ: là hệ thống định cỡ và tính nhiệt độ theo một quy
tắc nào đó. Trong kĩ thuật, để có thể xác định giá trị nhiệt độ một
vật người ta dựa vào các quá trình có thể tái tạo lại được làm cơ sở
lập thang đo nhiệt độ.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Các thang nhiệt độ tuân theo định luật nhiệt động học:
•
Thang nhiệt độ Fahrenheit: nước đá tan ở 32oF, sôi ở 212oF.
oC= (oF-32) ; oF= oC + 32
•
Thang nhiệt độ Celsius(thang bách phân):
oC = oK – 273,15; 1oC = 1oK
•

Thang nhiệt độ Kelvin (thang nhiệt động tuyệt đối):
0oC = 273,15oK- nhiệt độ cân bằng ba trạng thái của nước.
0oK = - 273,15 oC - nhiệt độ không tuyệt đối.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Nhiệt độ Kelvin(oK) Celsius(oC) Fahrenheit(oF)
Điểm không tuyệt đối
0 -273,15 -459,67
Hòa hợp nước- nước đá
273,15 0 32
Cân bằng nước-nước đá-hơi
nước
273,15 0,01 32,018
Nước sôi
373,15 100 212
Thang đo
nhiệt độ
và tương
quan.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Phân loại:

Theo phương pháp cảm biến nhiệt độ cơ bản:
•
Phương pháp tiếp xúc nhiệt: đòi hỏi cảm biến phải tiếp
xúc vật lý trực tiếp với môi trường hay đối tượng đo, có
thể dùng kiểm tra nhiệt độ chất rắn, chất lỏng hay chất khí
trong một phạm vi đo rất rộng.
•
Phương pháp đo không tiếp xúc: cảm nhận năng

lượng bức xạ của nguồn nhiệt ở dạng năng lượng thu
nhận được trong phần hồng ngoại của phổ điện từ.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:

Theo phần tử cảm biến nhiệt:
•
Cảm biến tiếp xúc:
o
Nhiệt kế dãn nở( lưỡng kim)
o
Nhiệt kế áp suất( chất lỏng, chất khí)
o
Nhiệt ngẫu
o
Nhiệt điện trở:

Điện trở nhiệt kim loại

Nhiệt điện trở bán dẫn(silicon, diode, transitor)
•
Cảm biến bức xạ( không tiếp xúc)
o
Cảm biến quang( hỏa quang kế, hỏa kế quang điện)
o
Cảm biến siêu âm
o
Quang phổ
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Trong kỹ thuật đo lường và điều khiển nhiệt độ chủ yếu ứng dụng
các phần tử cảm biến tiếp xúc nhiệt, như:


Phần tử cảm biến kim loại:
•
Nhiệt kế dãn nở(lưỡng kim hay chất lỏng, chất khí)
•
Nhiệt điện trở kim loại
•
Nhiệt ngẫu

Phần tử cảm biến bán dẫn
•
Nhiệt trở bán dẫn (thermo-diode, thermo-transistor); vi
mạch cảm biến nhiệt IC.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Nhiêt điện trở bán dẫn Thermistor (thermal sensitive resistor –
điện trở nhạy nhiệt), là linh kiện nhiệt điện trở bán dẫn, làm từ vật
liệu bán dẫn có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong ứng dụng
thermistor được coi như dụng cụ hai cửa, hoạt động theo nguyên
lý thay đổi điện trở theo nhiệt độ.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn

Bao gồm tổ hợp hai hoặc ba lớp oxide kim loại được dung kết
thích hợp trong một vật liệu nền gốm và các dây dẫn ra được
hàn vào chất liệu bán dẫn hoặc chíp vi mạch, có phủ lớp vỏ
bọc epoxy hoặc thủy tinh.

Phần lớn dạng cấu trúc các phần tử thermistor được định hướng
tùy theo ứng dụng cụ thể, có dạng hạt (thủy tinh). Những
phần tử thermistor làm việc với dòng lớn nên phải có kết cấu

dạng đĩa.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Hình dạng thermistor
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Phân loại
Các thermistor phân biệt theo hai loại hệ số nhiệt độ

NTC-thermistor (phần tử dẫn nóng) có hệ số nhiệt độ âm.

PTC-thermistor (phần tử dẫn nguội) có hệ số nhiệt độ
dương.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Đặc điểm thermistor
Các thermistor không tuyến tính, do đó chúng không được dùng
để cung cấp chỉ số đo nhiệt độ với độ chính xác cao, nhưng để chỉ
thị những thay đổi nhiệt độ, ví dụ như quá nhiệt. Có thể làm điện trở
của thermistor thực sự tuyến tính bằng cách dùng mạch hỗ trợ như
mạch cầu Wheastone.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Đặc điểm thermistor
.

Phần lớn các thermistor có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là điện trở giảm
khi nhiệt độ tăng.

Các thermistor có độ nhạy rất cao, một sự thay đổi nhỏ nhiệt độ có
thể tạo ra sự thay đổi lớn về điện trở.

Kí hiệu nhiệt điện trở:


Mạch đo ứng dụng dùng điện trở nhiệt bán dẫn thermistor thường là
mạch cầu hở.
•
NTC – viết tắt từ Negative temperature Coefficient, đó là những
điện trở có hệ số nhiệt âm: trị số điện trở giảm khi nhiệt độ tăng,
như thế NTC dẫn điện trong tình trạng được đun nóng tốt hơn so
với để nguội.
•
Từ 00C đến 1500C điện trở NTC giảm đi hơn 100 lần.
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Nguyên lý hoạt động:
•
Các chất bán dẫn thường có hiệu ứng nhiệt âm.
•
Trong chất bán dẫn không chỉ có vận tốc của hạt dẫn, mà
quan trọng hơn, cả số lượng hạt dẫn cũng thay đổi theo nhiệt
độ. Bởi thế độ dẫn sẽ gia tăng cùng với nhiệt độ.
⇒
Khi nhiệt độ tăng thì trở kháng của chất bán dẫn giảm
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
•
Với các chất NTC thì quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở, trường hợp
có dòng điện bé, có thể biểu diễn theo công thức :

β : hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở

RT: điện trở tại nhiệt độ cần đo T [°K]


RO: điện trở tại nhiệt độ TO [°K]
•
Nhiệt điện trở dẫn nóng NTC có hệ số nhiệt độ âm từ -0.030 đến
-0.055 [1/0K].
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
•
Với những phép đo chính xác hơn trong một phạm vi biến thiên
nhiệt độ rộng hơn thì ít nhiều sẽ có sai lệch
⇒
B là biến thiên theo nhiệt độ.
B(ρ) = B [1+ β(ρ - 100) ]
β = 2,5.10-4/K cho ρ > 1000C
β = 5.10-4/K cho ρ < 1000C
ρ là nhiệt độ với 0C
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Đối với nhiệt độ lớn hơn thì ta phải dùng phương trình Steinhart-
Hart:
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:
Nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Không được để phần tử thermistor NTC bị làm nóng lên do dòng điện chạy
qua (hiện tượng phát nhiệt tự thân).

Phải chú ý bản chất của vật liệu khi dùng dòng điện xoay chiều vì tổng trở R
của NTC giảm khi tần số của dòng điện xoay chiều tăng.
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Một số lưu ý:
Khi dòng điện hay điện áp của thermistor NTC lớn hơn bình thường
sẽ làm nhiệt độ của thermistor lớn hơn nhiệt độ môi trường.
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Cấu tạo:
•
Cấu tạo bởi vật liệu sứ có tính chất dẫn điện phụ
thuộc vào nhiệt độ như: MgO, Fe3O4,NiO…
•
Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng
nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt
độ cao.