基于虚拟仪器技术的PN结温度传感特性测试系统

崔 敏， 魏思婷， 方耀辉， 吴笑笑， 万 欣， 张 兵， 雷 宇， 邓金祥

(1. 北京工业大学 应用数理学院， 北京 100124； 2. 北京工业大学 生命科学与生物工程学院， 北京 100124)

基于虚拟仪器技术的PN结温度传感特性测试系统

崔 敏1， 魏思婷2， 方耀辉2， 吴笑笑1， 万 欣1， 张 兵1， 雷 宇1， 邓金祥1

(1. 北京工业大学 应用数理学院， 北京 100124； 2. 北京工业大学 生命科学与生物工程学院， 北京 100124)

利用TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪、USB-6009数据采集卡和LabVIEW平台，建立了基于虚拟仪器技术的新型PN结温度特性测试系统。测量了不同工作电流下PN结的正向压降随温度的变化关系，获得硅材料的禁带宽度，并分析了工作电流对PN结温度特性的影响。该实验方法、数据采集与计算机技术良好结合，弥补了手工测量带来的误差。

PN结温度特性； 虚拟仪器； LabVIEW； 数据采集； Origin

温度测量在生产、生活中应用较广，常用的测温传感器有温差电偶、测温电阻、热敏电阻等。温差电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、线性差且需要参考温度；测温电阻虽精度高、线性好，但灵敏度较低且价格昂贵；热敏电阻具有较高灵敏度、响应快、体积小等优点，但线性差[1]。用PN结作测温元件的半导体传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积小等特点[2]，在温度测量数字化、温度控制及利用微机进行温度实时信号处理等方面，具有其他温度传感器所不能相比的优越性[3]。因此，PN结测温器件正逐步成为温度测量数字化的新型测温元件，了解PN结的温度传感特性具有重要的意义。

鉴于研究PN结温度特性的重要性，国内部分高等院校在工科物理实验中开设了“PN结正向压降与温度关系的研究和应用”实验。该实验需要学生经历繁琐的测量和计算，而且PN结温度变化较快，人工测量误差大[4]。虚拟仪器技术[5-6]是基于计算机平台、在必要的数据采集硬件的支持下，通过软件设计来实现和扩展仪器的功能，在数据采集、分析处理、显示和存储等方面具有强大功能。本文利用LabVIEW平台、数据采集卡与传统的PN结温度特性测量系统结合，进行了PN结温度传感特性实验的综合研究。

1 PN结正向压降与温度的关系

PN结的正向电流IF和压降VF存在如下近似关系[7]：

(1)

其中：q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，IS为反向饱和电流(IS与PN结的禁带宽度、温度、结面积、掺杂浓度等有关)，其表达式为

(2)

其中，C为与结面积、掺杂浓度等有关的常数，Vg,0K为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的能级差(禁带宽度)。

将(2)代入(1)，两边取对数得：

(3)

其中：

可以看出：式(3)中第一项V1与温度T呈线性关系，第二项Vnl与温度T呈非线性关系。经研究得知：在-50 ℃～150 ℃温度范围内，非线性部分的数值所占的比例很小，可以忽略[8]，此时

(4)

因此，在恒流供电条件下，PN结的正向压降△V几乎随温度而线性下降，这也是PN结测温的依据。

2 实验系统搭建及软件编程

2.1 实验系统

实验仪器包括计算机(含LabVIEW平台)，USB-6009数据采集卡，TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪(含PN结、AD590温度传感器)，导线若干。

实验装置原理如图1所示。PN结温度传感系统中的正向压降和温度信息输入到USB-6009数据采集卡中，通过计算机中LabVIEW平台的可视化编程完成数据的采集和处理。

基于虚拟仪器的实验系统如图2所示。图中加热装置对PN结温度进行控制，并将温度信息传递到PN结正向压降温度测试仪中。加热装置中温度的测量利用的是AD590电流输出型两端温度传感器，其输出电流Io=(273+t) (μA，t为摄氏温度)，输出电压V=(2.73+t/100),单位为V[9]。系统采用的USB-6009数据采集卡[10-11]可提供8个模拟输入(AI)通道、2个模拟输出(AO)通道、12个数字输入/输出(DIO)通道以及一个带全速USB接口的32位计数器。通过导线将PN结的正向压降△V信号和AD590温度传感器获得的代表温度的电压信号VT分别接入采集卡的模拟接口，并将采集卡通过USB接口连接电脑。

图1 实验装置原理图

图2 PN结温度传感测试平台的搭建

2.2 LabVIEW软件编程

USB-6009采集卡将采集到的数据输入电脑后，需运行LabVIEW相应的程序才能成功采集数据。LabVIEW软件包括前面板和程序框图两部分[12]。前面板可视化采集数据，通过观察数据的变化趋势以分析和调试；程序框图表示的是整个实验的流程，采用图形化的方法模拟实验中信号的传导、流向和处理。

图3所示为基于搭建好的PN结温度传感系统建立的LabVIEW程序。采用了连续采样和while循环。while循环设置布尔量为“真”时退出循环，条件接线端创建一个停止按钮。通过DAQ助手设置测试任务、通道与换算，利用模拟通道采集并加以区分；根据公式对采集到的正向压降△V和温度信号T的单位进行换算、设置量程；然后设置采样频率、待读采样数和采样方法；最后将信号拆分并输入到创建图形控件。被拆分的信号分别输入到X输入口和Y输入口，利用图像控件创建△V-T图。

图3 PN结温度传感系统LabVIEW程序

3 结果分析与讨论

3.1 数据测量与分析讨论

为了深入研究PN结温度传感特性，本实验对PN

结的正向工作电流分别设置为10、25、40、50 μA，研究工作电流对PN结温度传感特性的影响。PN结的起始温度为25.5℃，在不同工作电流下，随着温度的升高，测量PN结的正向压降，采集温度和正向压降信息，通过LabVIEW软件采集并提取数据后，利用Origin 8.0软件详细分析，实验结果如图4所示。在不同工作电流下，PN结的温度变化范围为25 ℃至83 ℃，数据采集达到800多组，均采用Origin 8.0软件对数据点进行线性拟合。从图4可以看出，数据的线性趋势较明显。

如图4所示，在不同的工作电流下，PN结的正向压降△V均随着温度T的升高呈线性下降，这与理论分析相对应。对数据进行线性拟合，线性的斜率即反映PN结正向压降随温度变化的灵敏度，不同工作电流下PN结的灵敏度S均在-2.2 mV/℃附近。

分别测量了不同工作电流下起始温度的PN结正向压降，结果如表1所示。根据PN结的灵敏度可以估算组成材料在0 K时的禁带宽度[13]Eg:

(5)

其中，Eg，0K为0 K时的禁带宽度，VF(tR)为室温下PN结上的正向电压，S为PN结的灵敏度，ΔT=-273.2-tR。

以10μA为例，PN结组成材料的禁带宽度为

q[532+(-2.236)×(-273.2-25.5)]/1 000=

1.200 (eV)

其他工作电流下禁带宽度的计算结果如表1所示。实验中使用的PN结为3DG6型晶体管的基极集电极短接作为正极、发射极作为负极构成的，其材料为硅材料。根据公认的0 K时的禁带宽度1.21 eV，分别计算了4种工作电流下测量获得的禁带宽度的相对不确定度Er(见表1)。从表1可知，随着工作电流从10 μA增大至50 μA，禁带宽度相对不确定度先减小后增大，在25 μA时，测量误差最小，相对不确定度为0.42%。这说明工作电流的大小会影响PN结的温度传感特性，以25 μA为最优工作电流。

图4 不同工作电流下PN结正向压降随温度变化曲线

工作电流IF/μAVF(25．5℃)/mV灵敏度/(mV·℃-1)S×(-273．2-tR)/mVVg，0K/mVEg，0K=qVg/eVEg，0K公认/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结温度传感特性系统误差分析

USB-6009数据采集卡采集实验数据，可同时采集正向压降和温度信号数据，比人工测量减少了测量值观察和记录不同步的误差和人工观察、记录带来的误差；可在短时间内得到大量数据，缩短人工测量时间。

LabVIEW软件可以自如设置数据采集频率，但数据采集的频率是有限制的。过高的采集频率受到仪器灵敏度的限制，过低的采集频率会降低数据的采集精度，最终通过多次改变前面板数据采集频率进行数据采集，得出最适宜采样频率为0.5 Hz。

实验中需要使PN结的温度均匀上升。在PN结最初升温时，与室温温差较小，样品室散热速度较慢；之后，随着PN结温度的上升，其温度与室温温差较大，散热速度加快，此时应适当增加控温电流。

4 结束语

通过TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪的改装，并应用USB-6009数据采集卡和LabVIEW平台建立的PN结温度特性测试的新型测试系统，可以研究PN结的温度传感特性，特别是PN结工作电流对其传感特性和材料禁带宽度测量的影响。建立的基于虚拟仪器技术的PN结温度传感特性系统实现了实验测量、数据采集和计算机技术的良好结合，是由人工测量到计算机智能化测量的重大进步，弥补了手工测量带来的误差和不足，为大学物理的创新型实验和研究型实验提供了一种新思路。

References)

[1] 王琳.浅谈温度传感器特点及其应用[J].黑龙江科技信息，2011(4):21.

[2] 赵洪涛.PN结温度传感器原理及应用[J].电子工程师，2006,32(7):66-68.

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[4] 徐兵,崔富刚.PN结正向压降温度特性测试仪加热器的改进[J].计量与测试技术，2012,39(12):46-49.

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[12] 蒋达娅，肖井华.基于LabVIEW的物理实验在学生素质培养上的作用[J].实验技术与管理，2012,29(3):304-307.

[13] 邓金祥，刘国庆，原安娟，等.大学物理实验[M].北京：北京工业大学出版社，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

北京高等学校青年英才计划项目(YETP1592)；北京工业大学教育教学研究课题资助项目(ER2013C19)

崔敏(1981—)，女，河南民权，博士，讲师，研究方向为创新和研究型物理实验.

E-mail：mcui@bjut.edu.cn

O4-39; O4-33

A

1002-4956(2015)5- 0138- 03