IC的热特性-热阻
Application Report
ZHCA592 – January 2014
1
IC 的热特性-热阻
刘先锋Seasat Liu ，秦小虎 Xiaohu Qin 肖昕 Jerry Xiao
North China OEM Team
摘要
IC 封装的热特性对IC 应用和可靠性是非常重要的参数。本文详细描述了标准封装的热特性
主要参数：热阻（ΘJA 、ΘJC 、ΘCA ）等参数。本文就热阻相关标准的发展、物理意义及测量方式
等相关问题作详细介绍，并提出了在实际系统中热计算和热管理的一些经验方法。希望使
电子器件及系统设计工程师能明了热阻值的相关原理及应用，以解决器件及系统过热问题。
目录
1
引言 ................................................................................................................................................ 2 2
热特性基础 ..................................................................................................................................... 2 3
热阻 ................................................................................................................................................ 2 4 常用热阻值 ..................................................................................................................................... 5 5 有效散热的经验法则 .. (6)
5.1 选择合适的封装 (6)
5.2 尽可能大面积的PCB 覆铜 (6)
5.3 增加铜厚度 (8)
5.4 用散热焊盘和过孔将多层PCB 连接 (8)
5.5 合理的散热结构，不影响散热路径，便于热能的扩散 (8)
5.6 散热片的合理使用 (9)
5.7 选取合适的截面导热材料 (9)
5.8 机箱散热 (9)
5.9 不要在散热走线上覆阻焊层 (10)
6 总结 (10)
7
参考文献 (10)
图表
图 1.
芯片热阻示意图 ................................................................................................................. 3 图 2.
JESD51标准芯片热阻测量环境示意图 ............................................................................... 4 图 3.
TO-263 热阻模型图............................................................................................................ 4 图 4.
典型的PCB 扩展热阻模型图 .............................................................................................. 5 图 5.
ADS58C48在不同温度和工作电压下的特性 ....................................................................... 6 图 6.
热阻和铜散热区面积的关系 ................................................................................................ 7 图 7.
功耗和铜散热区面积的关系 ................................................................................................ 7 图 8.
ADS62C17建议过孔方案 ................................................................................................... 8 图 9.
BGA 芯片加散热片后热阻示意图 (9)
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2 IC 的热特性-热阻
1 引言
半导体技术按照摩尔定理不断的发展，集成电路的密度越来越高，尺寸越来越小。所有集成电路在工作时都会发热，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高，随着结点温度的提高，半导体元器件性能将会下降，甚至造成芯片损害。因此每个芯片厂家都会规定其半导元体器件的最大结点温度。为了保证元器件的结温低于最大允许温度，经由封装进行的从IC 自身到周围环境的有效散热就至关重要。在普通数字电路中，由于低速电路的功耗较小，在正常的散热条件下，芯片的温升不会太大，所以不用考虑芯片的散热问题。而在高速电路中，芯片的功耗较大，在自然条件下的散热已经不能保证芯片的结点温度不超过允许工作温度，因此就需要考虑芯片的散热问题，使芯片可以工作在正常的温度范围之内。
2 热特性基础
在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射三种方式进行。传导是通过物体的接触，将热流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好；对流是通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多；辐射不需要具体的中间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。
热传导的Fourier 定律 Q =ε?(?T )/δ
热对流的Newton 定律 Q =α?(?T )
热辐射的定律：Q =5.67e ?8β?(T ?4?T c 4) 其中ε,α,β为导热系数，换热系数和发射率。C 为换热面积。
3 热阻
半导体器件热量主要是通过三个路径散发出去：封装顶部到空气，封装底部到电路板和封装引脚到电路板。
电子器件散热中最常用的，也是最重要的一个参数就是热阻（Thermal Resistance ）。热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。以集成电路为例，热阻是衡量封装将管芯产生的热量传导至电路板或周围环境的能力的一个标准和能力。定义如下：
θJX =T j ?T x P 公式1 热阻值一般常用θ表示，其中Tj 为芯片Die 表面的温度（结温），Tx 为热传导到某目标点位置的温度，P 为输入的发热功率。电子设计中，如果电流流过电阻就会产生压差。同理，如果热量流经热阻就会产生温差。热阻大表示热不容易传导，因此器件所产生的温度就比较高，由热阻可以判断及预测器件的发热状况。通常情况下，芯片的结温升高，芯片的寿命会减少，故障率也增高。在温度超过芯片给定的额定最高结温时，芯片就可能会损坏。
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IC 的热特性-热阻 3
图 1. 芯片热阻示意图 θJA 是芯片Die 表面到周围环境的热阻，单位是°C/W 。周围环境通常被看作热“地”点。θJA 取决于IC 封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，通常辐射的影响可以忽略。θJA 专指自然条件下(没有加通风措施)的数值。由于测量是在标准规范的条件下测试，因此对于不同的基板设计以及环境条件就会有不同的结果，因此此值可以用于比较封装散热的容易与否，用于定性的比较。 θJC 是芯片Die 表面到封装外壳的热阻，外壳可以看作是封装外表面的一个特定点。θJC 取决于封装材料(引线框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封装设计(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率)。对带有引脚的封装来说，θJC 在外壳上的参考点位于塑料外壳延伸出来的1管脚，在标准的塑料封装中，θJC 的测量位置在1管脚处。该值主要是用于评估散热片的性能。
注意θJC 表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此θJC 总是小于θJA 。θJC 表示是特定的、通过传导方式进行热传递的散热通路的热阻，而θJA 则表示的是通过传导、对流、辐射等方式进行热传递的散热通路的热阻。
θCA 是指从芯片管壳到周围环境的热阻。θCA 包括从封装外表面到周围环境的所有散热通路的热阻。根据上面给出的定义，我们可以知道：θJA =θJC + θCA
θJB 是指从芯片表面到电路板的热阻，它对芯片Die 表面到电路板的热通路进行了量化，可用于评估PCB 的传热效能。θJB 包括来自两个方面的热阻：从芯片Die 表面到封装底部参考点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板的热阻。该值可用于评估PCB 的热传效能。
从这里，我们可以看出，热量的传递主要有三条路径，第一：芯片Die 表面的热量通过封装材料（Mold Compound ）传导到器件表面然后通过对流散热/辐射散到周围，第二：是从芯片Die 表面到焊盘，然后由连接到焊盘的印刷电路板进行对流/辐射散。第三：芯片表面热量通过Lead Frame 传递到PCB 上散热。显然θJA 的值与外部环境密切相关。
Ψ和θ之定义类似，但不同之处是Ψ是指在大部分的热量传递的状况下，而θ是指全部的热量传递。在实际的电子系统散热时，热会由封装的上下甚至周围传出，而不一定会由单一方向传递，因此Ψ之定义比较符合实际系统的量测状况。
φJB 是芯片Die 表面到电路板的热特性参数，单位是°C/W ，热特性参数与热阻是不同的。相对于热阻θJB 测量时的直接单通路不同，φJB 测量的元件功率通量是基于多条热通路的。由于这些φJB 的热通路中包括封装顶部的热对流，因此更加便于用户的应用。
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4 IC 的热特性-热阻
热阻的测量是以JESD51标准给出的，JEDEC 中定义的结构配置不是实际应用中的典型系统反映，而是为了保持一致性和标准性，采用标准化的热分析和热测量方法。这有助于对比不同封装变化的热性能指标。其标准环境是指将器件安装在较大的印刷电路板上，并置于1立方英尺的静止空气中。因此说明书中的数值实际上是一个系统级别的参数。
图 2. JESD51标准芯片热阻测量环境示意图 以TO263为例，它包括一个标准的JEDEC 高K 板（2S2P ）与1盎司内部铜平面和接地平面。该封装是焊接到一个2盎司铜焊盘上。这个底盘是通过导热孔联到1盎司接地层。下图的侧视图中显示出的计算机模型中使用的操作环境。
图 3. TO-263 热阻模型图
JESD 是一套完整的标准。具体的标准可以参见相关网站。
JESD51: Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device)
JESD51-1: Integrated Circuit Thermal Measurement Method—Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)
JESD51-2: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Natural Convection (Still Air)
JESD51-3: Low Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages JESD51-4: Thermal Test Chip Guideline (Wire Bond Type Chip)
JESD51-5: Extension of Thermal Test Board Standards for Packages with Direct Thermal Attachment
Mechanisms
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IC 的热特性-热阻 5
JESD51-6: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Forced Convection (Moving Air)
JESD51-7: High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages
JESD51-8: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Junction-to-Board
JESD51-9: Test Boards for Area Array Surface Mount Package Thermal Measurements
JESD51-10: Test Boards for Through-Hole Perimeter Leaded Package Thermal Measurements.
JEDEC51-12: Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information.
4 常用热阻值1
为了更好的计算和理解θJA ，一些新的参数不断被引入，θCU 是PCB 板上铜的热阻，θFR4 是典型FR4板材PCB 的热阻，θVIA 是PCB 板上过孔的热阻，θSA 是PCB 板表面到周围空气的热阻。下图是一个典型的PCB 扩展热阻模型。
图 4.
典型的PCB 扩展热阻模型图
名称 值(oC/W) 描述
公式 备注 θCU 71.4 铜平面热阻 θCU =1λCU ?L S 单位面积（1cm^2），1盎司铜厚度为0.0035cm ，铜的热导率λ为4W/(cm*oC)。L 为长度，S 为面积 θFR4 13.9 FR4板材热阻 θFR4=1λFR4?L S 单位面积（1cm^2）FR4厚度12.6mil ，FR4热导率λ为0.0023W/(cm*oC) θVIA 261 过孔热阻(12mil) θVIA =1λCU ?L π[R ?(R ?l )2] 过孔高度65mil ，0.5盎司铜厚0.00175cm ，孔半径6mil ， L 为孔长度，R 为过孔半径，l 为铜厚度
θSA 1000 PCB 到空气热阻
θSA =1?S 单位面积（1cm^2），自然散热，
热导率近似为0.001W/(cm*oC)
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6 IC 的热特性-热阻
5 有效散热的经验法则
散热对芯片而言是非常重要的，下图以ADS58C48为例，说明了在不同的温度下，芯片（高速ADC 为例）的性能会有不同的表现，在高温下性能往往恶化。因此在设计系统时必须高度关注芯片的工作温度，轻者会影响系统的性能，重者可能会造成芯片损坏。
图 5. ADS58C48在不同温度和工作电压下的特性
5.1 选择合适的封装
从芯片手册上可以知道封装的热阻，然后可根据给定的耗散功率和环境温度估算芯片的工作结温。我们可以考虑一个简单例子（以ADS58C48为例），器件的AVDD 和DRVDD 均为1.8V ，典型供电电流分别为：290mA 和207mA 。最大容许结温为125°C 。
功耗可以表示为：P=V*I=AVDD*Iavdd+DRVDD*Idrvdd=0.522+0.373=0.895W
结温θJA =24°C/W ，设备工作在散热不良的密闭空间，环境温度为75°C 。估算结温如下：
Tj=75+0.895*24=75+21.8=96.8°C
这个估算温度远远小于最大的结温温度，所以器件不会出现过热问题。
过程看上去很简单，但实际上很复杂。对于具体的IC ，θJA 值与PCB 板的尺寸、散热方式（风冷还是自然冷却）、板的层数、每层板的铜的厚度以及芯片周边是否存在别的发热量很高的器件相关。通常我们可以根据热成像图片做实际热阻计算：比如根据热成像图片得到该器件的最高发热区域并且读出温度变化，然后根据在该芯片上的电流电压得到它的功耗即可得出实际的热阻参数。
5.2 尽可能大面积的PCB 覆铜
对提高散热性能来说，PCB 的表层和底层是理想的散热空间。更大的PCB ，其可用于热传导的面积也就越大，同时也拥有更大灵活性，应在高功耗器件之间留有充分的空间。一般情况下，接地层铜的面积较大，能为PCB 散热提供极好的热通路。使用宽的导线甚至铜平面，在远离高功耗器件的地方布线，可以为散热提供高效的热通路。
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为了进一步说明，我们选TPS75825（TO-263）作为例子。其中，平均输入电压是3.3V下，平均输出电压为2.5V，平均输出电流为3A，环境温度55℃，空气流量为150 LFM和操作环境是相同的，如下文所述。忽略静态电流后，最大的平均功率：PDmax = (3.3 -2.5) V * 3A =2.4W
根据公式1可知，θJA=（125-55）/2.4W=29°C/W
从下图可知，θJA与铜散热面积对比，接地层需要2平方厘米的面积去消散2.4W的能量。
图 6.热阻和铜散热区面积的关系
如果已知θJA，则从公式1中可以推出，该θJA值下，不同PCB面积对应的不同最大耗散功率。
图 7.功耗和铜散热区面积的关系
IC的热特性-热阻7
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8 IC 的热特性-热阻
5.3 增加铜厚度
PCB 的铜厚度增加，系统组件的热性能也就越高。铜平面，典型1盎司铜的单位面积（1cm 2）热阻θCU =1λCU
?L S =0.25℃?cm W
?1cm 1cm?0.0035cm =71.4 oC/W 。在允许的范围内，建议使用更重的铜平面，可以有效的降低热阻。当采用2盎司铜的时候，单位面积的热阻就降低为：θCU =1λCU ?L S =
0.25℃?cm W ?1cm 1cm?0.007cm =35oC/W 5.4 用散热焊盘和过孔将多层PCB 连接
合理安排PCB 多层的堆叠关系和布线，也会增加用于热传导的铜的总比重。芯片下方的PCB 上的散热过孔有助于热量进入到PCB 内部各层，并传导至电路板的背部。
一般情况下，热焊盘都是接地焊盘，因此内部接地层和表面接地层是最常用的最方便的散热平面。典型的半盎司铜厚的12mil 的过孔的热阻是261oC/W 。因此在热焊盘下面用尽可能多的过孔形成矩阵。这些过孔尽可能的连接多的PCB 铜层，可以有效的进行散热，将大大提高散热效率。
以ADS62C17为例，手册上为大家提供了参考的过孔设计方案。允许在热焊盘下面以1mm 为间隔，铺设49个过孔，通过过孔和接地层连接在一起。7*7的矩阵的过孔的热阻约为：261/49=5.33 oC/W 。
图 8. ADS62C17建议过孔方案
5.5 合理的散热结构，不影响散热路径，便于热能的扩散
合理的PCB 散热布局可以有效的促进散热效率。PCB 板上的高散热器件应彼此分开，这种高散热器件的物理间隔可让每个器件的PCB 散热面积最大化，从而加快散热。发散元件周围尽量不要放高大元件，影响散热；从散热的角度，PCB 垂直放置时，散热的效果更好。此时建议将高散热器件放到PCB 的上端。
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IC 的热特性-热阻 9
5.6 散热片的合理使用
专用导热散热片是芯片散热的一种极好方法。散热片一般位于与芯片相连的PCB 背部或芯片的顶部，并通过合适的界面导热材料与散热源连接。为了实现最优的性能，散热片最好连接到热阻阻抗低的路径上。
图 9. BGA 芯片加散热片后热阻示意图
5.7 选取合适的截面导热材料
芯片和散热器间的热界面材料层是高功耗器件封装中热流的最大障碍。选择合适的材料来填充芯片和散热器间的界面对半导体器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通过填充气孔和密贴接合面不光滑表面形貌来降低发热和散热单元间接合面的接触热阻。
5.8 机箱散热
条件允许情况下，利用机箱散热是很好的方案。可以在机箱的底部，顶部开窗，充分利用烟囱效应形成气流散热；利用机箱内部风扇散热也是很好的方法。
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10 IC 的热特性-热阻
5.9 不要在散热走线上覆阻焊层
阻焊层的作用是避免在焊接过程中焊料无序流动而导致焊盘引线之间桥接短路。在设计中有大功率器件需要通过电路板散热时也可以在阻焊层上开窗，以增加散热PCB 的面积。
6 总结
对于任何一个有效的设计，热设计都是必须要考虑的，应该在出现问题之前就充分考虑，减少出错的可能性。本文详细描述了标准封装的热特性的一些主要参数：热阻（ΘJA 、ΘJC 、ΘCA ）等参数，并
提出了在实际系统中热计算和热管理的一些经验方法。希望使电子器件及系统设计工程师能明了热阻的相关原理及应用，以解决器件及系统过热问题。
7 参考文献
1. AN-2020 Thermal Design By Insight, Not Hindsight https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=SNVA419B&fileType=pdf
2. Filp Chip Ball Grid Array Package Reference Guide, https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/lit/ug/spru811a/spru811a.pdf
3. Thermal Considerations for RF Power Amplifier Devices https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/analog/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=slwa009&docCategoryId=1&familyId=367
4. Thermal_Resistance_Estimate https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/assets/en/tools/Thermal_Resistance_Estimate.xls
5. A guide to board layout for Best Thermal Resistance for Exposed Packages https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/general/docs/lit/getliterature.tsp?svadoc=an-1520®=en
6. IC 封装的热特性https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/app-notes/index.mvp/id/4083
7. PowerPad Thermally Enhanced Package https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,/lit/an/slma002g/slma002g.pdf
8. JESD51标准,美国电子工业协会标准
9. Introduction to heat transfer https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,.mm/techuni/media/ChT_03022_5.pdf
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热敏电阻的温度特性
测量热敏电阻的温度特性 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，根据其电阻率随温度变化的特性不同，大致可分为三种类型：（1）NTC （负温度系数）型热敏电阻；（2）PTC （正温度系数）型热敏电阻；（3）CTC （临界温度系数）型热敏电阻。其中PTC 型和CTC 型热敏电阻在一定温度范围内，阻值随温度剧烈变化，因此可用做开关元件。热敏电阻器在温度测控、现代电子仪器及家用电器（如电视机消磁电路、电子驱蚊器）等中有广泛用途。在温度测量中使用较多的是NTC 型热敏电阻，本实验将测量其电阻温度特性。 1.实验目的 (1)测量NTC 型热敏电阻的温度特性； (2)学习用作图法处理非线性数据。 2.实验原理 NTC 型热敏电阻特性 NTC 型热敏电阻是具有负的温度系数的热敏电阻，即随着温度升高其阻值下降，在不太宽的温度范围内（小于450℃），其电阻-温度特性符合负指数规律。 NTC 热敏电阻值R 随温度T 变化的规律由式(1-1)表示 T B T Ae R = （1-1） 其中A 、B 为与材料有关的特性常数，T 为绝对温度，单位K 。对于一定的热敏电阻， A 、 B 为常数。对式（1-1）两边取自然对数有 T B A R T + =ln ln (1-2) 从T R T 1ln -的线性拟合中，可得到A 、B 的值，写出热敏电阻温度特性 的经验公式。 3.实验内容 （1）连接电路。 （2）观察NTC 型热敏电阻的温度特性。 （3）测量NTC 型热敏电阻的温度特性。
（4）数据处理 R 特性曲线； a. 画出热敏电阻的t
b. 画出T R T 1ln 曲线，求出其直线的截距、斜率，即可求得A 、B ，写 出热敏电阻温度特性的经验公式。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
电阻温度特性
热敏电阻温度特性的研究 一、实验目的 了解和测量热敏电阻阻值与温度的关系 二、实验仪器 YJ-RZ-4A 数字智能化热学综合实验仪、NTC 热敏电阻传感器、Pt100传感器、 数字万用表 三、实验原理 热敏电阻是其电阻值随温度显著变化的一种热敏元件。热敏电阻按其电阻随温度变化的典型特性可分为三类，即负温度系数（NTC ）热敏电阻，正温度系数（PTC ）热敏电阻和临界温度电阻器（CTR ）。PTC 和CTR 型热敏电阻在某些温度范围内，其电阻值会产生急剧变化。适用于某些狭窄温度范围内的一些特殊应用，而NTC 热敏电阻可用于较宽温度范围的测量。热敏电阻的电阻-温度特性曲线如图1所示。 图1 NTC 半导体热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杠状、垫圈状等各种形状。与金属导热电阻比较，NTC 半导体热敏电阻具有以下特点： 1．有很大的负电阻温度系数，因此其温度测量的灵敏度也比较高； 2．体积小，目前最小的珠状热敏电阻的尺寸可达mm 2.0φ，故热容量很小可作为点温 或表面温度以及快速变化温度的测量； 3．具有很大的电阻值（Ω-5 2 1010），因此可以忽略线路导线电阻和接触电阻等的影响，特别适用于远距离的温度测量和控制； 4．制造工艺比较简单，价格便宜。半导体热敏电阻的缺点是温度测量范围较窄。 NTC 半导体热敏电阻具有负温度系数，其电阻值随温度升高而减小，电阻与温度的关系可以用下面的经验公式表示
)/exp(T B A R T = （1） 式中，T R 为在温度为T 时的电阻值，T 为绝对温度（以K 为单位），A 和B 分别为具有电阻量纲和温度量纲，并且与热敏电阻的材料和结构有关的常数。由式（1）可得到当温度为0T 时的电阻值0R ，即 )/exp(00T B A R = （2） 比较式（1）和式（2），可得 )]1 1(exp[0 0T T B A R R T -= （3） 由式（3）可以看出，只要知道常数B 和在温度为0T 时的电阻值0R ，就可以利用式（3）计算在任意温度T 时的T R 值。常数B 可以通过实验来确定。将式（3）两边取对数，则有: )1 1(ln ln 0 0T T B R R T -+= （4） 由式（4）可以看出，T R ln 与 T 1 成线性关系，直线的斜率就是常数B ，热敏电阻的材料常数B 一般在2000—6000K 范围内。 热敏电阻的温度系数T α定义如下 21T B dT dR R T T T -=?= α （5） 由式（5）可以看出，T α是随温度降低而迅速增大。T α决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。热敏电阻的测温灵敏度比金属热电阻的高很多。例如，B 值为4000K ，当 )20(15.293C K T ?=时，热敏电阻的%7.4=T α 1)(-?C ，约为铂电阻的12倍。 四、实验内容和步骤 1、连接好实验仪器，如图 2、图3所示： 图2 内有加热引线和温度传感器引线 隔热板 恒温腔
脊状表面减阻特性的风洞试验研究
第23卷 第5期2008年10月 实 验 力 学 J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICS Vol.23 No.5 Oct.2008 文章编号:100124888(2008)0520469206 脊状表面减阻特性的风洞试验研究 刘占一,宋保维3,胡海豹,黄桥高,黄明明 (西北工业大学航海学院,西安710072) 摘要:利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现,脊状表面最大减阻量达13.5%;有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s+的增加呈现先变大后变小的趋势,在s+=12时达到最大。 关键词:脊状表面;热线风速仪;摩擦速度;减阻量 中图分类号:O357 文献标识码:A 0 引言 目前的各种湍流减阻方法中,脊状表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点,被公认最具使用潜力。该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究,通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,来达到很好的减阻效果。该项技术在国外已投入了实际应用,如空中客车将A320试验机表面的约70%贴上脊状表面薄膜,获得了节油1%～2%的效果;NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示,脊状表面的减阻量约为6%左右。 脊状表面减阻的物理机制在于:脊状表面与顺流向的“反向旋转涡对”作用,产生“二次涡”。“二次涡”的产生和发展削弱了“反向旋转涡对”的强度,进而抑制了湍流猝发的形成。脊状表面流场理论研究发现,脊状表面的粘性底层厚度比平板的要厚得多,表明在脊状表面近壁区存在着低速流层,使得边界层外层高速流不直接与壁面接触,而从低速流层上流过,降低了壁面法线方向的速度梯度,从而产生了减阻效果[1,2]。 近些年,为了从微观流动结构方面研究脊状结构的减阻原理,PIV、LDV和热线风速仪等设备越来越多的被应用在减阻研究中。与以前使用测力天平等设备直接测量阻力不同,这些设备测得的是脊状结构表面流场的特性参数,需要计算出壁面摩擦速度,才能间接给出定量的减阻效果。Ant hony Ken2 dall等在文献[3]中提出用Musker和Spalding公式求摩擦速度;D.Hoo shmand等在文献[6]中提到用Clauser方法求摩擦速度。这些方法都要求准确测得包括粘性底层在内的边界层内层速度分布,但是对数律公式仅需要边界层对数律区的速度分布即可。由于准确测量粘性底层比较困难,因此笔者考虑利用对数律区速度分布公式,通过拟合求摩擦速度。 本文利用热线风速仪测量了五种不同尺寸的脊状结构表面流场,不仅从速度分布、湍流度分布方面3收稿日期:2008203218;修订日期:2008210206 基金项目:国家自然科学基金面上项目(10672136);国家自然科学基金重点项目(50835009)资助 通讯作者:宋保维(1963-),男,教授,目前主要研究方向:水下航行器设计、制造,流体力学,系统工程理论及其应用,计算机辅助设计与制造,机电一体化与机器人技术等。E2mail:songbaowei@https://www.wendangku.net/doc/e713360495.html,
热敏电阻的温度特性
热敏电阻的温度特性 班级：电子12 学号：2110501038 姓名：张婷婷
一．实验目的 1.了解热敏电阻的电阻—温度特性及测温原理； 2.学习惠斯通电桥的原理及使用方法； 3.学习坐标变换、曲线改直的技巧。 二．实验原理 半导体热敏电阻的电阻—温度特性 热敏电阻的电阻值与温度的关系为： A，B是与半导体材料有关的常数，T为绝对温度，根据定义，电阻温度系数为： Rt是在温度为t时的电阻值。 惠斯通电桥的工作原理 如图所示：
四个电阻R 0，R 1，R 2，R x 组成一个四边形，即电桥的四个臂，其中R x 就是待测电阻。在四边形的一对对角A 和C 之间连接电源，而在另一对对角B 和D 之间接入检流计G 。当B 和D 两点电位相等时，G 中无电流通过，电桥便达到了平衡。平衡时必有R x = (R 1/R 2)·R 0，(R 1/R 2)和R 0都已知，R x 即可求出。 电桥灵敏度的定义为： 式中ΔR x 指的是在电桥平衡后R x 的微小改变量，Δn 越大，说明电桥灵敏度越高。
三.实验内容 求电桥灵敏度 从室温开始，每隔5°C测量一次R t，直到85°C。撤去电炉，使水慢慢冷却，测量降温过程中，各对应温度点的R t。 求升温和降温时的各R t的平均值，然后绘制出热敏电阻的R t-t特性曲线。求出t ＝50°C点的电阻温度系数。 作ln R t~ (R1/ T)曲线，确定式(R1)中常数A和B,再由（2）式求α (50°C时)。 四．实验仪器及其使用方法 1.直流单臂电桥 实验过程中要注意电池按钮和接通检流计按钮的使用，检流计按钮先使用粗，然后再使用细，不要两个按钮同时使用。实验完成后，一定要将电池按钮松开。 2.检流计 当电桥达到平衡时，检流中电流为零。在使用检流计时，要注意保护检流计，不要让大 电流通过检流计，实验中间要用"跃接"。 3.待测热敏电阻和温度计 4.调压器 控制加热电炉电压。实验开始时，加热电压不宜太高。因为实验过程中，既要观察温度的变化，又要调节电桥平衡，操作有一定难度。待操作熟练后，可适当加大电压，让温度升高的 快些。 五．实验数据及处理
502F NTC热敏电阻温度-阻值特性表
Sinloon Approval Customer: Approval No. ： Product ： NTC THERMISTOR SENSORS Mayloon Part No. : MLHT 502F- 3970 Customer’s Part No. ： Specifications ： R 25 5,000 ? ± 1 % B 25-85 3970 °K ± 1 % Date ： 2007/05/10 Approved By: Checked By: Prepared By : Approved By: Examined By: Tested By : Company’s Stamp Company’s Stamp
1) SCOPE This specifications define ratings, dimension, insulation, climatic sequence and mechanical characteristics for (Lead-free) MLHT type thermistor. 2) PART NO. : MLHT502F-3970 3) RATING 3-1) Rated zero-power resistance R 25 : 5 k ? ±1 % (at 25)℃ 3-2) B value. B 25/85 : 3,970K ±1 % *The B value is calculated using the zero-power resistance values measured at 25 and 85.℃℃ 3-3) Dissipation factor. :Approx. 2 mW/(in air)℃ 3-4) Thermal time constant. :Approx. ≦12 Sec (in air) 3-5) Maximum power rating. : 10 mW (at 25)℃ 3-6) Category temperature range : -30 ~ 125 ℃ 3-7) Lead content : RoHs Compliant. 3-8) Cadmium : RoHs Compliant. 4) DIMENSIONS UNIT: mm Spec.No.: STANDARD REVISION Date: Note A B Approved Checked Drawn C
PTC阻温特性计算机自动测试系统技术参数
阻温特性计算机自动测试系统技术参数 ?国产品牌商用计算机 ?控制温度范围：室温350℃ ?常用温度范围：室温250℃ ?进口智能万用表 ?控温仪表：智能温控仪表 ?制冷介质：干冰（液态） ?电阻范围：ΩΩ ?工位数：只（可任意选择测量） 通过软件可以自动计算出的参数： , , , , , , , α 参考厂家：华中科技大学电子科学与技术系
铁电分析仪技术参数及配套内容 设备清单： 工控机、铁电模块、样品台、电感测微仪和铁电测试系统专用软件 技术要求： 要求能够用来测量铁电材料从室温到150℃温度范围内的电滞回线和电致应变。 技术参数及材料要求： 工控机：研华 网卡键盘鼠标" 铁电模块 分辨率： 采样率： 电压范围：± 电流范围：± 工作频率： 样品台 温度范围： 分辨率： 测量精度：级（±） 样品厚度： 样品直径： 最高电压： 电感测微仪：-6C 测量范围：±10μm，±100μm，±1,000μm 分辨率：0.01μm，0.1μm，1μm 示值误差：<±0.05μm，<±0.5μm，<±5μm 参考厂家：陕西方正计量测试有限公司
铁电分析仪高压放大器技术参数用作高压电源供应器 ?输出电压: , , , 或, 可切换 ?精度: 优于满量程 ?文件位时分辨率: ?文件位时分辨率: ?随温度稳定性: °. ?随时间稳定性: 小时 参考设备型号和厂家：美国, . – 高温介电性能测试系统技术参数
要求能够用来测量材料从室温到?温度范围内的各种电学性能，包括(电阻电抗)、(电容损耗)和(电导电纳)等；系统具有多式样、多频率（个频率）和测试结果直接图形实时显示等特点。 技术及材料要求如下： 测试温度范围：? 线性升温速率：? 测试炉尺寸：Φ? 多频率数据采集；实时图形显示；包括计算机一台 参考厂家：西安交通大学电子陶瓷与器件重点实验室 高精度温度测控系统技术参数
CMR 材料阻温特性测量
CMR材料阻温特性测量 引言： 巨磁电阻效应（GMR）最早是20世纪80年代在金属异质结构中发现的， 90年代美国IBM公司就成功地将它应用于高密度地读写磁头，将磁盘记录密度提高了几十倍。90年代初期，人们在一系列具有钙钛矿结构的稀土锰氧化合物Re1-x A x Mn O3 ( A=Ca/Sr/Ba, x>0.2)薄膜及块材中观察到超大磁电阻效应（CMR），这是继GMR材料之后，人们发现的具有更大的磁阻的材料，由于该类材料本身所展示的丰富物理内容，以及磁存储产业对更敏感和具有更快响应速度的磁探测器需求，使该材料在电子学和磁记录应用领域被寄予厚望，掀起了一股研究CMR材料的热潮。 锰基钙钛矿材料是典型的强关联电子体系，自旋，电荷和轨道等自由度的相互耦合对材料的性质起决定性作用。钙钛矿结构的掺杂锰氧化物其超大磁电阻机理，与铜氧化物的高温超导电性一样，是多电子强关联系统中十分有趣的问题。 【实验目的】 (1)了解巨磁电阻的阻温特性及其测量该材料金属—绝缘体转变温度的方法。 (2)了解金属和半导体PN结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应。 (3)学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法。 【实验原理】 1、超大磁电阻（CMR）材料的导电特性 人们在研究钙钛矿结构的稀土锰氧化合物的电阻与温度关系时，发现在某一临界温度以下，材料的电阻随着温度的升高而增大，呈现金属的导电特性，而在该临界温度以上，材料的电阻随温度升高而减小，呈现出绝缘体或半导体的导电特性，如图1所示。该临界温度被定义为：金属—绝缘体转变温度Tp。 在金属—绝缘体转变温度附近，CMR材料除了导电性能发生突变外，其它物理量也发生了变化，例如材料的磁结构的突变（即磁性相变），发生了从铁磁相到顺磁相的转变，即材料的居里温度Tc在Tp附近，如图2中的M－T曲线所示。在高于铁磁居里点T c的温度下,材料的电阻率随着温度的降低而增大(dρ/dT<0)，表现出顺磁绝缘体输运行为，电阻率在T c处达到最大值，随后随着温度的进一步降低,电阻率减小(dρ/dT>0)，呈现铁磁金属性导电行为，如图2中的ρ－T曲线所示。外加磁场能显著降低T c 附近系统的电阻率，使之表现出超大磁电阻效应（CMR）。这就是典型的钙钛矿CMR 材料的电 图1.超大磁电阻（CMR）材料的电阻温度曲线 图2. La0.75Ca0.25Mn金属—绝缘体转变温度的 电磁输运行为
PTC陶瓷热敏电阻器的阻温特性测试
实验 PTC 电阻阻-温特性测量 1． 实验目的 ⑴ 掌握测量PTC 热敏电阻器的阻温特性的原理及过程； ⑵ 根据所测试出的曲线，对其特性和性能做出初步分析。 2． 实验原理 正电阻温度系数PTC 热敏半导体陶瓷材料的电阻率ρ是随温度T 的升高而增大的。由半导体物理可知，一般半导体材料的阻-温特性可以近似地用下式表达： ()1T B Ae =ρ 其中，A 、B 为常数。可以通过实验测定材料的A 、B 值。其过程如下： 在温度T=T 1时测得元件的电阻为R 1，在T=T 2时测得元件的电阻为R 2，则 ()2111T B T Ae S L S L R ==ρ ()3222T B T Ae S L S L R ==ρ ()21112 1T B e R R -= ()()()4ln ln ln ln 111 2212121121T T R R T T R R T T B --=-???? ??-=- 将（4）代入（2）得 () 121221ln ln 11T T R R T B e L S R e L S R A ---== 这里，L 为元件长度，S 为元件截面积。 在测量热敏材料的温度特性时，要求在零功率下进行。所谓元件的零功率，就是指测量时在元件上所加的电压不致使元件本身 发热而引起阻值变化的最大功率。一般 热敏电阻的零功率约为几伏的范围。 本实验介绍两种测试方法，即电桥 法和分压法： ⑴ 电阻式电桥法：电桥电路是测量电阻 的一种常见电路。直流惠斯登电桥是电 桥电路中最简单的一种，也是其他种类 电桥的基本类型。其原理电路如图1所 示。图中R t 、R 2、R 3、R 4四个电阻连接 成封闭环形，其连接点a 、b 、c 、d 称作 电桥的顶点，电阻R t 、R 2、R 3、R 4 的支