精準(zhǔn)的硅芯片溫度檢測(cè)——顯示測(cè)量精度為±0.1°C

作者：ADI公司 Simon Bramble，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

摘要

本文檢驗(yàn)最新一代硅芯片溫度傳感器的準(zhǔn)確性。這些傳感器提供數(shù)字輸出，無(wú)需線性化，支持小封裝尺寸和低功耗。其中許多具備報(bào)警功能，以提醒系統(tǒng)存在潛在故障。

簡(jiǎn)介

電子行業(yè)對(duì)精度的要求越來(lái)越高，溫度檢測(cè)也不例外。目前市面上有許多溫度檢測(cè)解決方案，每一種都有其優(yōu)缺點(diǎn)。硅芯片溫度傳感器，線性度相對(duì)較高，而且精度遠(yuǎn)超其他解決方案。但是，硅芯片溫度檢測(cè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展意味著，使用硅芯片解決方案將可以實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度。

新冰箱

那時(shí)正是2020年3月，英國(guó)即將進(jìn)入封鎖狀態(tài)。全球都在囤積食物，以防超市關(guān)門，而未來(lái)似乎充滿不確定。就在這種時(shí)候，Bramble家的冰箱罷工了。滿腦子都回響著Kenny Rogers單曲“露西爾”中的歌詞“你怎么選擇在這樣一個(gè)時(shí)刻離開我”，我們開始在網(wǎng)上搜索新的替代品。

幾天后，新冰箱送來(lái)了，前面板上有數(shù)字溫度顯示，完全符合Bramble太太的需求。建議的設(shè)置溫度為-18℃，一個(gè)小時(shí)后，冰箱達(dá)到了所需的溫度，可以開始存放食物了。我有點(diǎn)懷疑溫度讀數(shù)的準(zhǔn)確性，但只要能夠冷凍食物，我對(duì)此也不太在意。但問(wèn)題是：我是一名工程師，有一顆熱衷探索的心，在連續(xù)幾天面對(duì)新冰箱毫無(wú)變化的數(shù)字讀數(shù)后，我崩潰了。我必須測(cè)試一下這件新電器的精度。

溫度傳感器

工業(yè)應(yīng)用中使用的溫度傳感器種類繁多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。鑒于有許多文本詳細(xì)介紹了各種溫度傳感器的操作，我不再贅述，只是提供一些總結(jié)。

熱電偶

熱電偶提供了一種低成本、中等精度的高溫測(cè)量方案。正如Thomas Seebeck在1821年發(fā)現(xiàn)的那樣，它們基于兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生的電壓，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都由不同的金屬構(gòu)成，放置于不同溫度環(huán)境下。對(duì)于K型熱電偶（由鎳鉻合金和鎳鋁金合金制成）來(lái)說(shuō)，它輸出約41 μV/°C的電壓，可用于測(cè)量超過(guò)1000°C的溫度。但是，塞貝克效應(yīng)依賴于兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫度差，因此，在熱端測(cè)量相關(guān)溫度時(shí)，冷端必須持續(xù)測(cè)量已知的溫度。諷刺的是，在冷端需要另一個(gè)溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度，ADI公司 AD8494這樣的器件正好能夠完全解決這個(gè)問(wèn)題。熱電偶本身的體積很小，所以熱質(zhì)很低，能夠快速響應(yīng)溫度變化。

RTD

行業(yè)廣泛使用電阻溫度檢測(cè)器（RTD）來(lái)測(cè)量中溫（《500°C）。這些器件由一種電阻會(huì)隨溫度的變化呈正變化的金屬元素組成，最常見(jiàn)的是鉑（Pt）。事實(shí)上，PT100傳感器是行業(yè)中使用最廣泛的RTD，因使用材料鉑制成，且在0°C時(shí)電阻為100 Ω而得名。雖然這些器件無(wú)法測(cè)量熱電偶那樣的高溫，但它們具有高線性度，且重復(fù)性較好。PT100需要精確的驅(qū)動(dòng)電流，從而在傳感器上產(chǎn)生一個(gè)與溫度成比例的準(zhǔn)確的壓降。PT100連接線的電阻導(dǎo)致傳感器的電阻測(cè)量出現(xiàn)誤差，所以開爾文連接是最典型的傳感器使用方法，因此出現(xiàn)3線或4線傳感器。

熱敏電阻

如果需要低成本的解決方案，且溫度范圍較低，那么使用熱敏電阻通常就足夠了。這些器件線性化程度很低，具有斯坦哈特哈特方程的特征，電阻隨溫度升高而減小。熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是，電阻會(huì)在小幅溫度變化下呈現(xiàn)大幅變化，所以，盡管它具有非線性，但仍然可以達(dá)到很高的精度。熱敏電阻還提供快速的熱響應(yīng)。單個(gè)熱敏電阻的非線性是明確定義的，所以可以使用LTC2986這類的組件來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

二極管隨處可見(jiàn)，但（Vbe）壓降至吸電流并非如此。..

為了測(cè)試這個(gè)新家電的準(zhǔn)確性，最終我選擇使用硅芯片溫度傳感器。它們到手即用，無(wú)需冷端溫度補(bǔ)償或線性化，可以提供模擬和數(shù)字輸出，且預(yù)先經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。但是，直到最近，它們都只能提供中等準(zhǔn)確性。雖然足以指示電子設(shè)備的健康狀態(tài)，但它們一直不夠精準(zhǔn)，無(wú)法測(cè)量（例如）體溫，體溫測(cè)量通常需要達(dá)到±0.1°C的精度（根據(jù)ASTM E1112標(biāo)準(zhǔn)）。但是ADI公司最近發(fā)布的ADT7422和ADT7320硅芯片溫度傳感器改變了這一狀況，它們的測(cè)量分辨率分別為±0.1℃和±0.2℃。

硅芯片溫度傳感器利用晶體管的Vbe的溫度依賴性，根據(jù)莫爾方程，約為：

其中Ic為集電極電流，Is為晶體管的反向飽和電流，q為電子上的電荷（1.602 × 10–19庫(kù)侖），k為玻爾茲曼常數(shù)（1.38 × 10–23），T為絕對(duì)溫度。

方程1中集電極電流的表達(dá)式也適用于二極管中的電流，那么為什么每個(gè)應(yīng)用電路都使用晶體管而不是二極管呢？事實(shí)上，二極管中的電流還包括電子通過(guò)pn結(jié)的耗盡區(qū)與空穴重新結(jié)合所產(chǎn)生的復(fù)合電流，這表明二極管電流與Vbe和溫度具有非線性關(guān)系。這種電流也出現(xiàn)在雙極晶體管中，但流入晶體管的基極，不會(huì)出現(xiàn)在集電極電流中，因此非線性程度要低得多。

整合上述因素可以得出