基于虛擬儀器技術的PN結溫度傳感特性測試系統

崔 敏， 魏思婷， 方耀輝， 吳笑笑， 萬 欣， 張 兵， 雷 宇， 鄧金祥

(1. 北京工業大學 應用數理學院， 北京 100124； 2. 北京工業大學 生命科學與生物工程學院， 北京 100124)

基于虛擬儀器技術的PN結溫度傳感特性測試系統

崔 敏1， 魏思婷2， 方耀輝2， 吳笑笑1， 萬 欣1， 張 兵1， 雷 宇1， 鄧金祥1

(1. 北京工業大學 應用數理學院， 北京 100124； 2. 北京工業大學 生命科學與生物工程學院， 北京 100124)

利用TH-J型PN結正向壓降溫度特性測試儀、USB-6009數據采集卡和LabVIEW平臺，建立了基于虛擬儀器技術的新型PN結溫度特性測試系統。測量了不同工作電流下PN結的正向壓降隨溫度的變化關系，獲得硅材料的禁帶寬度，并分析了工作電流對PN結溫度特性的影響。該實驗方法、數據采集與計算機技術良好結合，彌補了手工測量帶來的誤差。

PN結溫度特性； 虛擬儀器； LabVIEW； 數據采集； Origin

溫度測量在生產、生活中應用較廣，常用的測溫傳感器有溫差電偶、測溫電阻、熱敏電阻等。溫差電偶適用溫度范圍寬，但靈敏度低、線性差且需要參考溫度；測溫電阻雖精度高、線性好，但靈敏度較低且價格昂貴；熱敏電阻具有較高靈敏度、響應快、體積小等優點，但線性差[1]。用PN結作測溫元件的半導體傳感器具有靈敏度高、線性好、熱響應快和體積小等特點[2]，在溫度測量數字化、溫度控制及利用微機進行溫度實時信號處理等方面，具有其他溫度傳感器所不能相比的優越性[3]。因此，PN結測溫器件正逐步成為溫度測量數字化的新型測溫元件，了解PN結的溫度傳感特性具有重要的意義。

鑒于研究PN結溫度特性的重要性，國內部分高等院校在工科物理實驗中開設了“PN結正向壓降與溫度關系的研究和應用”實驗。該實驗需要學生經歷繁瑣的測量和計算，而且PN結溫度變化較快，人工測量誤差大[4]。虛擬儀器技術[5-6]是基于計算機平臺、在必要的數據采集硬件的支持下，通過軟件設計來實現和擴展儀器的功能，在數據采集、分析處理、顯示和存儲等方面具有強大功能。本文利用LabVIEW平臺、數據采集卡與傳統的PN結溫度特性測量系統結合，進行了PN結溫度傳感特性實驗的綜合研究。

1 PN結正向壓降與溫度的關系

PN結的正向電流IF和壓降VF存在如下近似關系[7]：

(1)

其中：q為電子電荷，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，IS為反向飽和電流(IS與PN結的禁帶寬度、溫度、結面積、摻雜濃度等有關)，其表達式為

(2)

其中，C為與結面積、摻雜濃度等有關的常數，Vg,0K為絕對零度時PN結材料的導帶底和價帶頂的能級差(禁帶寬度)。

將(2)代入(1)，兩邊取對數得：

(3)

其中：

可以看出：式(3)中第一項V1與溫度T呈線性關系，第二項Vnl與溫度T呈非線性關系。經研究得知：在-50 ℃～150 ℃溫度范圍內，非線性部分的數值所占的比例很小，可以忽略[8]，此時

(4)

因此，在恒流供電條件下，PN結的正向壓降△V幾乎隨溫度而線性下降，這也是PN結測溫的依據。

2 實驗系統搭建及軟件編程

2.1 實驗系統

實驗儀器包括計算機(含LabVIEW平臺)，USB-6009數據采集卡，TH-J型PN結正向壓降溫度特性測試儀(含PN結、AD590溫度傳感器)，導線若干。

實驗裝置原理如圖1所示。PN結溫度傳感系統中的正向壓降和溫度信息輸入到USB-6009數據采集卡中，通過計算機中LabVIEW平臺的可視化編程完成數據的采集和處理。

基于虛擬儀器的實驗系統如圖2所示。圖中加熱裝置對PN結溫度進行控制，并將溫度信息傳遞到PN結正向壓降溫度測試儀中。加熱裝置中溫度的測量利用的是AD590電流輸出型兩端溫度傳感器，其輸出電流Io=(273+t) (μA，t為攝氏溫度)，輸出電壓V=(2.73+t/100),單位為V[9]。系統采用的USB-6009數據采集卡[10-11]可提供8個模擬輸入(AI)通道、2個模擬輸出(AO)通道、12個數字輸入/輸出(DIO)通道以及一個帶全速USB接口的32位計數器。通過導線將PN結的正向壓降△V信號和AD590溫度傳感器獲得的代表溫度的電壓信號VT分別接入采集卡的模擬接口，并將采集卡通過USB接口連接電腦。

圖1 實驗裝置原理圖

圖2 PN結溫度傳感測試平臺的搭建

2.2 LabVIEW軟件編程

USB-6009采集卡將采集到的數據輸入電腦后，需運行LabVIEW相應的程序才能成功采集數據。LabVIEW軟件包括前面板和程序框圖兩部分[12]。前面板可視化采集數據，通過觀察數據的變化趨勢以分析和調試；程序框圖表示的是整個實驗的流程，采用圖形化的方法模擬實驗中信號的傳導、流向和處理。

圖3所示為基于搭建好的PN結溫度傳感系統建立的LabVIEW程序。采用了連續采樣和while循環。while循環設置布爾量為“真”時退出循環，條件接線端創建一個停止按鈕。通過DAQ助手設置測試任務、通道與換算，利用模擬通道采集并加以區分；根據公式對采集到的正向壓降△V和溫度信號T的單位進行換算、設置量程；然后設置采樣頻率、待讀采樣數和采樣方法；最后將信號拆分并輸入到創建圖形控件。被拆分的信號分別輸入到X輸入口和Y輸入口，利用圖像控件創建△V-T圖。

圖3 PN結溫度傳感系統LabVIEW程序

3 結果分析與討論

3.1 數據測量與分析討論

為了深入研究PN結溫度傳感特性，本實驗對PN

結的正向工作電流分別設置為10、25、40、50 μA，研究工作電流對PN結溫度傳感特性的影響。PN結的起始溫度為25.5℃，在不同工作電流下，隨著溫度的升高，測量PN結的正向壓降，采集溫度和正向壓降信息，通過LabVIEW軟件采集并提取數據后，利用Origin 8.0軟件詳細分析，實驗結果如圖4所示。在不同工作電流下，PN結的溫度變化范圍為25 ℃至83 ℃，數據采集達到800多組，均采用Origin 8.0軟件對數據點進行線性擬合。從圖4可以看出，數據的線性趨勢較明顯。

如圖4所示，在不同的工作電流下，PN結的正向壓降△V均隨著溫度T的升高呈線性下降，這與理論分析相對應。對數據進行線性擬合，線性的斜率即反映PN結正向壓降隨溫度變化的靈敏度，不同工作電流下PN結的靈敏度S均在-2.2 mV/℃附近。

分別測量了不同工作電流下起始溫度的PN結正向壓降，結果如表1所示。根據PN結的靈敏度可以估算組成材料在0 K時的禁帶寬度[13]Eg:

(5)

其中，Eg，0K為0 K時的禁帶寬度，VF(tR)為室溫下PN結上的正向電壓，S為PN結的靈敏度，ΔT=-273.2-tR。

以10μA為例，PN結組成材料的禁帶寬度為

q[532+(-2.236)×(-273.2-25.5)]/1 000=

1.200 (eV)

其他工作電流下禁帶寬度的計算結果如表1所示。實驗中使用的PN結為3DG6型晶體管的基極集電極短接作為正極、發射極作為負極構成的，其材料為硅材料。根據公認的0 K時的禁帶寬度1.21 eV，分別計算了4種工作電流下測量獲得的禁帶寬度的相對不確定度Er(見表1)。從表1可知，隨著工作電流從10 μA增大至50 μA，禁帶寬度相對不確定度先減小后增大，在25 μA時，測量誤差最小，相對不確定度為0.42%。這說明工作電流的大小會影響PN結的溫度傳感特性，以25 μA為最優工作電流。

圖4 不同工作電流下PN結正向壓降隨溫度變化曲線

工作電流IF/μAVF(25．5℃)/mV靈敏度/(mV·℃-1)S×(-273．2-tR)/mVVg，0K/mVEg，0K=qVg/eVEg，0K公認/eVEr10532-2．236667．891199．891．2001．210．83%25553-2．215661．621214．621．2151．210．42%40568-2．201657．441225．441．2251．211．3%50571-2．19654．151225．151．2251．211．3%

3.2 PN結溫度傳感特性系統誤差分析

USB-6009數據采集卡采集實驗數據，可同時采集正向壓降和溫度信號數據，比人工測量減少了測量值觀察和記錄不同步的誤差和人工觀察、記錄帶來的誤差；可在短時間內得到大量數據，縮短人工測量時間。

LabVIEW軟件可以自如設置數據采集頻率，但數據采集的頻率是有限制的。過高的采集頻率受到儀器靈敏度的限制，過低的采集頻率會降低數據的采集精度，最終通過多次改變前面板數據采集頻率進行數據采集，得出最適宜采樣頻率為0.5 Hz。

實驗中需要使PN結的溫度均勻上升。在PN結最初升溫時，與室溫溫差較小，樣品室散熱速度較慢；之后，隨著PN結溫度的上升，其溫度與室溫溫差較大，散熱速度加快，此時應適當增加控溫電流。

4 結束語

通過TH-J型PN結正向壓降溫度特性測試儀的改裝，并應用USB-6009數據采集卡和LabVIEW平臺建立的PN結溫度特性測試的新型測試系統，可以研究PN結的溫度傳感特性，特別是PN結工作電流對其傳感特性和材料禁帶寬度測量的影響。建立的基于虛擬儀器技術的PN結溫度傳感特性系統實現了實驗測量、數據采集和計算機技術的良好結合，是由人工測量到計算機智能化測量的重大進步，彌補了手工測量帶來的誤差和不足，為大學物理的創新型實驗和研究型實驗提供了一種新思路。

References)

[1] 王琳.淺談溫度傳感器特點及其應用[J].黑龍江科技信息，2011(4):21.

[2] 趙洪濤.PN結溫度傳感器原理及應用[J].電子工程師，2006,32(7):66-68.

[3] 陳水橋.PN結正向壓降溫度特性的研究和應用[J].物理實驗，2000,20(7):7-9.

[4] 徐兵,崔富剛.PN結正向壓降溫度特性測試儀加熱器的改進[J].計量與測試技術，2012,39(12):46-49.

[5] 薛洪濤，趙普琴.基于虛擬儀器的物理實驗教學研究[J].科學技術,2011(33):169.

[6] 郝麗，董甲瑞.基于虛擬儀器技術的電流場實驗測量系統研發[J].實驗技術與管理，2014，31(1):101-103.

[7] 胡險峰，朱世國.PN結正向伏安特性曲線隨溫度的變化[J].2003,23(10):6-9.

[8] 周黨培,陳業仙.半導體PN結溫度特性實驗[J].實驗室科學，2012,15(1):100-103.

[9] 張守峰.AD590溫度測量電路分析與設計[J].工業技術與職業教育，2013,11(3):3-4.

[10] 馬宗駿,張博,牛大鵬.基于USB的數據采集卡應用[J].物聯網技術，2011(3):68-70.

[11] 吳小艷，陳紅萬，聶道華，等.基于USB-6009的多通道ECG數據采集系統設計[J].電子測量技術，2009,32(5):161-164.

[12] 蔣達婭，肖井華.基于LabVIEW的物理實驗在學生素質培養上的作用[J].實驗技術與管理，2012,29(3):304-307.

[13] 鄧金祥，劉國慶，原安娟，等.大學物理實驗[M].北京：北京工業大學出版社，2011.

Measuring system with PN junction temperature sensing characteristicsbased on virtual instrumentation technology

Cui Min1, Wei Siting2, Fang Yaohui2, Wu Xiaoxiao1, Wan Xin1,Zhang Bing1, Lei Yu1, Deng Jinxiang1

(1. College of Applied Sciences, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2. College of Life Science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China )

Based on virtual instrumentation technology, a novel measuring system with PN junction temperature characteristics is built, which includes a TH-J-type PN junction forward voltage drop characteristic tester, a USB-6009 data acquisition card and a LabVIEW platform. The influence of the temperature on the forward voltage drop with different working currents of the PN junction is measured. The band gap of silicon material is obtained, and the analysis of the operating current of the PN junction temperature characteristics is deducted. The combination of the methods applied in experiment, the data acquisition and computer technology is capable of making up the lack of manual measurement error.

PN junction temperature sensing characteristics; virtual instrumentation; LabVIEW; data acquisition; Origin

2014- 10- 27 修改日期：2014- 12- 06

北京高等學校青年英才計劃項目(YETP1592)；北京工業大學教育教學研究課題資助項目(ER2013C19)

崔敏(1981—)，女，河南民權，博士，講師，研究方向為創新和研究型物理實驗.

E-mail：mcui@bjut.edu.cn

O4-39; O4-33

A

1002-4956(2015)5- 0138- 03