熱敏電阻之恆溫控制電路設計與Spice模型分析與模擬

Abstract

本論文探討紅外線感應器之溫度控制，使其精準度能控制在千分之一度以內，以熱敏電阻(thermistor)作為控制材料。首先，我們由實驗得到熱敏電阻之特性，並由系統判別作一驗証。之後，推導控制電路之理論模組，且提出一新的觀念，將溫度影響降至最低，並分析其特性。並建立熱敏電阻之spice模型，最後由實驗加以驗証電路之可行性與準確度。我們可以控制溫度之準確性在萬分之一度誤差範圍以下，實驗之結果與電路之可行性，除可應用於紅外線感應器之溫度控制外，尚可應用於在微機電(Mems)領域中，如由熱致動之元件的溫度控制，例如微振鏡等。因為半導體材料本身受溫度之影響是很顯著的，須將其控制在一適當之溫度範圍時，才能有好的成效。因此，溫度控制在熱致動之微機電元件中是很重要的。本論文提供一可行性頗佳之理論與電路探討，希望對往後研究的人有所幫助。

The dissertation describes the temperature control of microsensors. The control material Ntcr thermistor are used. We design the analog circuits which stabilize the temperature drift of thermistor less then 0.001oc. First, we do system identification on thermistor, and find its parameter. From the information, we build spice model of thermistor. Secondly, we describe the control circuit in theoretical analysis., and simulate the circuit by Pspice software. Last, we design a circuit to measure signal 's change, and check its accuracy. According to the experimental data , the stabilization of the temperature control is less than 0.0001 oc. 英文摘要…...……………………………………………………………………………ii 致謝……………………………………………………………………………………..iii 目錄……………………………………………………………………………………..iv 表目錄………………………………………………………………………………….vii 圖目錄…………………………………………………………………………………viii 符號說明……………………………………………………………………………….xi 第一章 緒論…………………………………………………………………………...1 1.1 發展背景及研究現況………………………………………………………..1 1.2 研究動機與目的……………………………………………………………..3 1.3 報告架構……………………………………………………………………..4 第二章 熱敏電阻介紹………………………………………………………………...5 2.1 熱電阻器……………………………………………………………………..5 2.2 隨溫度而變的電阻變動……………………………………………………..6 2.3 熱敏電阻……………………………………………………………………..8 2.4 熱敏電阻器參數……………………………………………………………..8 2.5 熱敏電阻分析………………………………………………………………10 2.6 結論…………………………………………………………………………11 第三章 系統判別與模擬分析……………………………………………………….12 3.1 系統判別……………………………………………………………………12 3.2 系統判別介紹………………………………………………………………12 3.2.1 最小平方法…………………………………………………………….13 3.2.2 系統判別之實現……………………………………………………….15 3.2.3 實驗結果……………………………………………………………….16 3.3 系統模擬分析………………………………………………………………19 3.4 結論…………………………………………………………………………21 第四章 控制電路之理論模組建立………………………………………………….23 4.1 導論…………………………………………………………………………23 4.2 定溫之控制電路(1)…………………………………………………………24 4.2.1 高頻小訊號模型與極零點探討……………………………………….29 4.2.2 大訊號模型…………………………………………………………….34 4.3 定溫之控制電路(2)…………………………………………………………37 4.3.1 高頻小訊號模型分析………………………………………………….39 4.4 定溫之控制電路(3)…………………………………………………………41 4.5 定溫之控制電路(4)…………………………………………………………43 4.6 降低基底溫度之影響………………………………………………………47 4.7 熱敏電阻spice模組建立…………………………………………………49 4.7.1 熱敏電阻材料特性……………………………………………………49 4.7.2 考慮熱轉換函數………………………………………………………52 4.7.3 熱敏電阻完整spice模型……………………………………………… 53 4.7.4 提升反應速率 ………………………………………………………… 57 4.8 結論…………………………………………………………………………59 第五章 控制與量測電路之設計…………………………………………………….60 5.1 控制緣由……………………………………………………………………60 5.2 電路設計……………………………………………………………………60 5.3 實驗結果……………………………………………………………………64 5.4 分析討論……………………………………………………………………68 5.4.1 電容值大小之影響 …………………………………………………… 68 5.4.2 由電阻調整降低溫度之影響………………………………………….. 72 5.4.3 低於室溫時之系統響應 ……………………………………………… 73 5.5 總結…………………………………………………………………………74 第六章 結論…………………………………………………………………………...75 6.1 結論…………………………………………………………………………75 6.2 展望…………………………………………………………………………77 參考文獻………………………………………………………………………………78 附錄一…………………………………………………………………………………80 附錄二…………………………………………………………………………………81 附錄三…………………………………………………………………………………84