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        基于芯片級(jí)控溫技術(shù)的玻爾茲曼常量測(cè)定儀

        2011-02-01 03:34:24宋建平朱太宜
        物理實(shí)驗(yàn) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

        宋建平,茍 剛,朱太宜,姜 哲

        (河海大學(xué)a.理學(xué)院;b.水利水電學(xué)院,江蘇南京210098)

        1 引 言

        玻爾茲曼常量k(1.380 662×10-23J/K)是對(duì)熱力學(xué)第二定律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)解釋時(shí)引入的常量,是反映物質(zhì)世界不連續(xù)特性的重要標(biāo)志.鑒于玻爾茲曼常量的重要性,復(fù)旦大學(xué)物理系自行研制了“PN結(jié)物理特性測(cè)定儀”并開(kāi)設(shè)了實(shí)驗(yàn),測(cè)量玻爾茲曼常量.該實(shí)驗(yàn)是將晶體管浸沒(méi)在盛有變壓油的試管中,試管下端插在放有水的保溫杯中,測(cè)量的環(huán)境水溫度作為晶體管溫度.通過(guò)研究PN結(jié)的擴(kuò)散電流和結(jié)電壓之間的關(guān)系,計(jì)算得到玻爾茲曼常量.近年來(lái)部分儀器通過(guò)電子系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量和控制,但方法都是以環(huán)境溫度來(lái)代替PN結(jié)溫度,PN結(jié)真實(shí)溫度無(wú)法獲知和控制,測(cè)量電流的自熱效應(yīng)更是無(wú)法消除,存在一定的系統(tǒng)誤差,影響測(cè)量效果,同時(shí)由于系統(tǒng)質(zhì)量和熱容量較大,造成熱平衡時(shí)間很長(zhǎng),實(shí)際使用時(shí)一般一次恒溫過(guò)程超過(guò)0.5h,降低了教學(xué)效率.針對(duì)傳統(tǒng)玻爾茲曼實(shí)驗(yàn)儀器存在的弊端,筆者采用芯片級(jí)控溫技術(shù)對(duì)儀器進(jìn)行了創(chuàng)造性的改進(jìn).改進(jìn)后儀器不但能精確測(cè)定玻爾茲曼常量,而且還能繪制PN結(jié)伏安特性曲線Ube-Ibe.

        2 實(shí)驗(yàn)原理

        由半導(dǎo)體物理學(xué)可知,PN結(jié)的正向電流Ibe和正向電壓降Ube關(guān)系滿足

        式中Ibe是PN結(jié)的正向電流,Iiso是由實(shí)驗(yàn)的PN結(jié)半導(dǎo)體幾何常量和電學(xué)性質(zhì)決定的參量,T為PN結(jié)的絕對(duì)溫度,e為電子的電量,k為玻爾茲曼常量.在實(shí)際測(cè)定時(shí)Ube為0.4~0.6V,在這個(gè)范圍內(nèi)PN結(jié)正向電流Ibe非常小,實(shí)測(cè)僅有10-8~10-6A左右,筆者采用高阻抗運(yùn)算放大器LF356組成電流-電壓變換器(圖1)測(cè)量弱電流信號(hào),具有輸入阻抗高、電流靈敏度高、溫漂小、線性好、設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)牢靠等優(yōu)點(diǎn).采用晶體管的發(fā)射結(jié)的PN結(jié)作為測(cè)量對(duì)象,利用共基極電路隔離測(cè)量電路對(duì)被測(cè)定PN結(jié)工作的影響.

        圖1 電流-電壓變換器原理圖

        由于LF356反相端為虛地,且吸收電流極小,因此有

        又因?yàn)镮c≈Ie,所以有

        將(1)式兩邊同時(shí)乘以Rf得

        這樣,Ibe-Ube的測(cè)定轉(zhuǎn)變?yōu)閁c-Ube測(cè)定.對(duì)(4)式兩邊取自然對(duì)數(shù)得

        在一定溫度下,lg(RfIiso)為常量,將測(cè)得的多組Uc和Ube數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,求出斜率e/kT后可求出k值.

        3 改進(jìn)后的儀器

        玻爾茲曼常量測(cè)定儀PCB版圖如圖2所示.實(shí)驗(yàn)儀由單片機(jī)控制系統(tǒng)和專用的PN組件組成,嵌入的單片機(jī)主要功能有:對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化校正,PN結(jié)芯片進(jìn)行測(cè)溫和恒溫,對(duì)其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)液晶顯示屏顯示.單片機(jī)要測(cè)量的數(shù)據(jù)有晶體管溫度T,PN結(jié)電壓Ube,輸入電阻Ri,輸入電壓URi,LF356輸出電壓Uc,環(huán)境溫度t.該儀器采用18B20溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度t,用于儀器開(kāi)機(jī)初始化時(shí)對(duì)晶體管進(jìn)行溫度校正.用測(cè)量得到的URi可通過(guò)Ibe=URi/Ri來(lái)獲得PN結(jié)正向電流Ibe,從而可繪制PN結(jié)伏安特性曲線.嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)還通過(guò)程序控制PN結(jié)電壓Ube,使結(jié)電壓調(diào)整電位器處于任何位置,均能對(duì)系統(tǒng)零點(diǎn)漂移進(jìn)行校正,提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度和可靠性.同時(shí)儀器設(shè)有以步進(jìn)方式改變PN結(jié)溫度的調(diào)整電位器和PN結(jié)電壓的調(diào)整電位器.

        圖2 玻爾茲曼常量測(cè)定儀PCB版圖

        3.1 芯片級(jí)控溫技術(shù)

        芯片級(jí)控溫技術(shù)包括芯片溫度的調(diào)整、設(shè)定、測(cè)量、恒溫控制、溫度顯示等,在PN結(jié)的同一塊半導(dǎo)體芯片上集成電加熱系統(tǒng)和溫度傳感器,形成PN組件如圖3.由于半導(dǎo)體芯片質(zhì)量體積非常小,質(zhì)量不到mg量級(jí),這樣小的系統(tǒng)比較外部加熱系統(tǒng),其升溫和降溫過(guò)程時(shí)間大大縮短,改變芯片溫度也非常迅速.由于傳感器集成在芯片本身,測(cè)量的就是芯片自身的溫度,因此也不存在環(huán)境溫度的熱平衡問(wèn)題,可以解決目前技術(shù)存在的環(huán)境溫度代替芯片溫度問(wèn)題.

        圖3 PN組件原理圖

        PN組件模塊選用市場(chǎng)普遍應(yīng)用的集成電路CA3046,如圖4所示,由6個(gè)晶體管列陣組成.選用G1作為測(cè)定玻爾茲曼常量晶體管,G6作為備管.G2和G3并聯(lián)作為加熱功率器件,利用工作在線性區(qū)域的耗散功率作為加熱源.G4和G5單元的發(fā)射結(jié)的PN結(jié)作為測(cè)溫傳感器,利用PN結(jié)具備約-2.1mV/℃的溫度系數(shù),對(duì)PN結(jié)進(jìn)行標(biāo)定就可以充當(dāng)溫度傳感器.

        圖4 集成電路CA3046

        3.2 基于模擬比較器的控溫電路

        本儀器采用Atmega16單片機(jī)進(jìn)行控制,為減少單片機(jī)運(yùn)行負(fù)擔(dān),提高控溫速度,筆者采用外部模擬比較器來(lái)完成用戶設(shè)定溫度和芯片實(shí)際溫度的比較.控溫電路如圖5.

        圖5 基于外部模擬比較器的控溫電路圖

        用戶通過(guò)電位器W3設(shè)定的溫度輸入單片機(jī),單片機(jī)不做處理就直接控制OC1A輸出的PWM波的脈沖寬度,OC1A輸出通過(guò)分壓(電平匹配)、濾波形成代表設(shè)定溫度的模擬電壓,送到模擬比較器LM358的反相輸入端.PN組件內(nèi)測(cè)溫單元測(cè)得信號(hào)送到模擬比較器LM358同相輸入端.LM358對(duì)2個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較,當(dāng)同相端電平高于反相端電平時(shí)輸出向高電平移動(dòng);反之當(dāng)反相端電平高于同相端電平時(shí)輸出向低電平移動(dòng).輸出電平變化速度取決于積分電容(相當(dāng)于濾波電容)C1,從而獲得與比較結(jié)果相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào),驅(qū)動(dòng)由G2,G3,R9,R13組成的芯片加熱電路對(duì)芯片進(jìn)行加熱控制,芯片溫度高于設(shè)定溫度則比較器輸出降低使加熱電流減小,降低芯片溫度,反之芯片溫度低于設(shè)定溫度,比較器輸出電壓將升高使加熱電流增加,提高芯片溫度.這樣就可以在測(cè)定玻爾茲曼常量時(shí)更加精準(zhǔn)快速地對(duì)溫度進(jìn)行控制,使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程更為高效,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確.

        4 程序框圖

        程序采用BASIC編程語(yǔ)言,在BASCOMAVR環(huán)境下編譯、調(diào)試通過(guò).儀器上電后,首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作,對(duì)單片機(jī)的基礎(chǔ)時(shí)鐘、各應(yīng)用端口等片內(nèi)模塊寄存器進(jìn)行配置.系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)以后,Iomd判別數(shù)據(jù)由用戶控制撥動(dòng)開(kāi)關(guān)獲得,若Iomd=0,執(zhí)行玻爾茲曼程序,反之執(zhí)行伏安特性測(cè)量程序.系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示.

        圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

        5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及處理

        5.1 玻爾茲曼常量測(cè)量

        對(duì)儀器開(kāi)機(jī)預(yù)熱后,將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到玻爾茲曼常量測(cè)量實(shí)驗(yàn)擋,單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行溫度校正和零點(diǎn)校正.調(diào)整PN結(jié)溫度調(diào)整電位器選擇合適溫度,觀察液晶屏顯示的溫度值,等其穩(wěn)定3min不變即可調(diào)整PN結(jié)電壓調(diào)整電位器,改變Ube的大小,記錄T,Ube,Uc值.在室內(nèi)溫度為17.7℃時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示.其中:T=(39.3+273.15)K=312.45K.

        表1 不同PN結(jié)電壓下的LF356輸出電壓

        實(shí)驗(yàn)求得k=1.375 695×10-23J/K,與國(guó)際公認(rèn)玻爾茲曼常量k=1.380 662×10-23J/K相比,相對(duì)偏差為0.36%.

        5.2 PN結(jié)伏安特性曲線測(cè)量

        將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到PN結(jié)特性曲線測(cè)量實(shí)驗(yàn)擋.調(diào)整PN結(jié)溫度調(diào)整電位器選擇合適溫度,在溫度穩(wěn)定以后,調(diào)整PN結(jié)電壓調(diào)整電位器改變Ube,記錄該溫度下Ube-Ibe數(shù)據(jù).在室內(nèi)溫度為17.7℃時(shí)測(cè)量Ube-Ibe數(shù)據(jù)如表2所示,其中:T=(39.3+273.15)K=312.45K.其伏安特性曲線如圖7所示.

        表2 不同PN結(jié)電壓下的結(jié)電流

        圖7 PN結(jié)伏安特性曲線

        6 結(jié)束語(yǔ)

        改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)巧妙,將市面上廣泛使用的集成電路CA3046作為核心芯片,降低儀器成本.該儀器不但可以實(shí)現(xiàn)玻爾茲曼常量的測(cè)定,而且能繪制PN結(jié)伏安特性曲線,同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)可以在不同溫度下測(cè)定玻爾茲曼常量值.實(shí)現(xiàn)在多組溫度下測(cè)定的玻爾茲曼常量值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)誤差分析,得到更精確的實(shí)驗(yàn)值.2)能在1~2min內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片升降溫度和恒溫,溫度調(diào)整范圍:室溫~120℃,可以在有限課時(shí)內(nèi)完成更多實(shí)驗(yàn),提高教學(xué)質(zhì)量.3)測(cè)量溫度為芯片內(nèi)部真實(shí)溫度,具有精確度高的特點(diǎn).該儀器經(jīng)過(guò)河海大學(xué)2009級(jí)全校工科近2000名學(xué)生的教學(xué)應(yīng)用,反映教學(xué)效果顯著提高,說(shuō)明改進(jìn)后的玻爾茲曼測(cè)定儀是成功的.

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