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精準的硅芯片溫度檢測——顯示測量精度為±0.1°C

2020-12-28 13:56:27 來源：ADI公司 Simon Bramble，現場應用工程師

摘要

本文檢驗最新一代硅芯片溫度傳感器的準確性。這些傳感器提供數字輸出，無需線性化，支持小封裝尺寸和低功耗。其中許多具備報警功能，以提醒系統存在潛在故障。

簡介

電子行業對精度的要求越來越高，溫度檢測也不例外。目前市面上有許多溫度檢測解決方案，每一種都有其優缺點。硅芯片溫度傳感器，線性度相對較高，而且精度遠超其他解決方案。但是，硅芯片溫度檢測領域的最新進展意味著，使用硅芯片解決方案將可以實現高分辨率和高精度。

新冰箱

那時正是2020年3月，英國即將進入封鎖狀態。全球都在囤積食物，以防超市關門，而未來似乎充滿不確定。就在這種時候，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時刻離開我”，我們開始在網上搜索新的替代品。

幾天后，新冰箱送來了，前面板上有數字溫度顯示，完全符合Bramble太太的需求。建議的設置溫度為-18℃，一個小時后，冰箱達到了所需的溫度，可以開始存放食物了。我有點懷疑溫度讀數的準確性，但只要能夠冷凍食物，我對此也不太在意。但問題是：我是一名工程師，有一顆熱衷探索的心，在連續幾天面對新冰箱毫無變化的數字讀數后，我崩潰了。我必須測試一下這件新電器的精度。

溫度傳感器

工業應用中使用的溫度傳感器種類繁多，各有其優缺點。鑒于有許多文本詳細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。

熱電偶

熱電偶提供了一種低成本、中等精度的高溫測量方案。正如Thomas Seebeck在1821年發現的那樣，它們基于兩個結點之間產生的電壓，每個結點都由不同的金屬構成，放置于不同溫度環境下。對于K型熱電偶（由鎳鉻合金和鎳鋁金合金制成）來說，它輸出約41 μV/°C的電壓，可用于測量超過1000°C的溫度。但是，塞貝克效應依賴于兩個結點之間的溫度差，因此，在熱端測量相關溫度時，冷端必須持續測量已知的溫度。諷刺的是，在冷端需要另一個溫度傳感器來測量溫度，ADI公司 AD8494這樣的器件正好能夠完全解決這個問題。熱電偶本身的體積很小，所以熱質很低，能夠快速響應溫度變化。

RTD

行業廣泛使用電阻溫度檢測器(RTD)來測量中溫(<500°C)。這些器件由一種電阻會隨溫度的變化呈正變化的金屬元素組成，最常見的是鉑(Pt)。事實上，PT100傳感器是行業中使用最廣泛的RTD，因使用材料鉑制成，且在0°C時電阻為100 Ω而得名。雖然這些器件無法測量熱電偶那樣的高溫，但它們具有高線性度，且重復性較好。PT100需要精確的驅動電流，從而在傳感器上產生一個與溫度成比例的準確的壓降。PT100連接線的電阻導致傳感器的電阻測量出現誤差，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。熱敏電阻的優點是，電阻會在小幅溫度變化下呈現大幅變化，所以，盡管它具有非線性，但仍然可以達到很高的精度。熱敏電阻還提供快速的熱響應。單個熱敏電阻的非線性是明確定義的，所以可以使用LTC2986這類的組件來進行校準。

二極管隨處可見，但(V_be)壓降至吸電流并非如此...

為了測試這個新家電的準確性，最終我選擇使用硅芯片溫度傳感器。它們到手即用，無需冷端溫度補償或線性化，可以提供模擬和數字輸出，且預先經過校準。但是，直到最近，它們都只能提供中等準確性。雖然足以指示電子設備的健康狀態，但它們一直不夠精準，無法測量（例如）體溫，體溫測量通常需要達到±0.1°C的精度（根據ASTM E1112標準）。但是ADI公司最近發布的ADT7422和ADT7320硅芯片溫度傳感器改變了這一狀況，它們的測量分辨率分別為±0.1℃和±0.2℃。

硅芯片溫度傳感器利用晶體管的V_be的溫度依賴性，根據莫爾方程，約為：

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

方程1中集電極電流的表達式也適用于二極管中的電流，那么為什么每個應用電路都使用晶體管而不是二極管呢？事實上，二極管中的電流還包括電子通過pn結的耗盡區與空穴重新結合所產生的復合電流，這表明二極管電流與V_be和溫度具有非線性關系。這種電流也出現在雙極晶體管中，但流入晶體管的基極，不會出現在集電極電流中，因此非線性程度要低得多。

整合上述因素可以得出

與I_c相比，I_s很小，所以我們可以忽略方程2中的1項。我們現在可以看到，V_be根據I_c中的對數變化呈線性變化。我們也可以看到，如果I_c和I_s是常數，那么V_be隨溫度呈線性變化，因為k和q也是常數。在晶體管中施加恒定的集電極電流，并測量V_be如何隨溫度變化，這項任務很簡單。

I_s與晶體管的幾何形狀有關，并且對溫度有很強的依賴性。和許多硅芯片器件一樣，溫度每上升10°C，其值就會翻倍。雖然ln函數降低了電流變化的影響，但仍然存在V_be的絕對值隨晶體管的變化而變化的問題，因此需要校準。所以，實際的硅芯片溫度傳感器使用兩個完全相同的晶體管，迫使1 I_c集電極電流進入一個晶體管，10 I_c進入另一個。我們能在集成電路中輕松生成完全相同的晶體管和精準的比率電流，所以大多數硅芯片傳感器都使用這種結構。電流的對數變化會引起V_be出現線性變化，然后測量V_be的差值。

由方程2可知，對于溫度相同的兩個晶體管，其V_be的差值為

這是因為

我們可以看出

通過使不同的電流通過每個晶體管并測量V_be的差值，我們消除了非線性Is項、不同的V_be的影響，以及與晶體管的幾何形狀相關的所有其他非線性效應。因為k、q和ln10都是常數，所以V_be的變化與絕對溫度(PTAT)成正比。當電流差為10倍時，兩個V_be的電流差在大約198 μV/°C時隨溫度呈線性變化。參見圖1查看實現這一效果的簡單電路。

圖1.測量溫度的基本電路。

必須慎重選擇圖1中的電流。如果電流過高，在晶體管的整個內部電阻范圍內，會出現很高的自發熱和壓降，從而影響測量結果。如果電流過低，晶體管內部的漏電流會增大誤差。

還應注意的是，前面的方程都與晶體管的集電極電流有關，而在圖1中，晶體管中注入的是恒定的發射極電流。在設計晶體管時，可以明確確定集電極和發射極電流之間的比例（且接近整數），這樣集電極電流與發射極電流成比例。

這還只是開始。要使硅芯片溫度傳感器達到±0.1°C的精度，還需要大量的表征和微調。

是一只鳥？還是一架飛機？

不，這是一個超級溫度計。是的，它們確實存在。需要將未校準的硅芯片溫度傳感器放入裝滿硅油的浴缸中，準確加熱到所需的溫度，然后使用超級溫度計進行測量。這些器件的測量精度可以精確到超過小數點后五位。將傳感器內部的保險絲熔斷，以調整溫度傳感器的增益，從而利用方程y = mx + c將其輸出線性化。硅油提供非常均勻的溫度，因此可以在一個周期內校準許多器件。

ADT7422在25℃至50℃溫度范圍內的精度為±0.1℃。這個溫度范圍以典型的38℃體溫為中心，使得ADT7422非常適合用于精準監測生命體征。在工業應用中使用時，我們對ADT7320進行了調整，使其精度達到±0.2℃，但溫度范圍擴大到-10℃到+85℃。

圖2.安裝在0.8 mm厚的PCB上的ADT7422。

但是，硅芯片溫度傳感器的校準并不是唯一的問題。采用極其精確的基準電壓時，裸片上的壓力會破壞傳感器的精度，以及PCB的熱膨脹、引線框架、模塑和裸露焊盤，所有這些都需要考慮。焊接工藝本身也有問題。焊料回流工藝會使零件的溫度提高到260℃，導致塑料封裝軟化，裸片的引線框架變形，這樣當零件冷卻，塑料變硬時，機械應力會被封存在裸片中。ADI公司的工程師花了好幾個月的時間進行細致的實驗，最終發現0.8 mm的PCB厚度最為合適，即使在焊接之后，也可以達到±0.1℃的精度。

那么香腸的溫度到底有多低？

我將ADT7320連接到一個微控制器和一個LCD顯示器上，并編寫了幾百行C語言代碼來初始化傳感器和提取數據——可以通過在DIN引腳上連續寫入32個1s來輕松初始化這個部分。配置寄存器被設置為使ADT7320以16位精度連續轉換。從ADT7320上讀取數據之后，至少需要等待240 ms的延遲之后，才會發生下一次轉換。為了便于使用非常低端的微控制器，所以我手動編寫了SPI。我將ADT7320放在冰箱里大約30分鐘，以獲取新冰箱的準確溫度。圖3顯示冰箱的溫度為–18.83°C。

圖3.冰箱的溫度為–18.83°C。

這種精度給我留下了非常深刻的印象，雖然存儲食品并不需要達到這種溫度精度等級。然后，在英國夏季的某一天，我測量了辦公室內的溫度。如圖4所示，溫度為22.87°C。

圖4.辦公室的溫度為22.87°C。

結論

硅芯片溫度傳感器已取得長足進步，變得非常精確，能夠實現非常高的生命體征監測精度。雖然它們內部的技術都是基于成熟的原理，但要使它們達到亞度精度水平，還是需要付出巨大的努力。即使達到了這種精度水平，機械應力和焊接也很容易抹掉數小時校準所取得的成果。

ADT7320和ADT7422代表了多年來達到亞度級精度溫度表征的技術頂峰，即使是在焊接到PCB上之后。

參考資料

Horowitz, Paul和Winfield Hill。電子的藝術。劍橋大學出版社，2015年4月。
Huijsing, Johan和Michiel Pertijis。采用CMOS技術的精密溫度傳感器。Springer，2006年。
模擬電路設計，第2卷，第32章。凌力爾特，2012年12月。
AD590數據手冊。ADI公司，2013年1月。
ADT5912數據手冊（即將發布）。ADI公司

作者簡介

Simon Bramble于1991年畢業于倫敦布魯內爾大學，擁有電氣工程和電子學學位，專門從事模擬電子器件和電源工作。他的職業生涯主要從事模擬電子器件工作，就職于凌力爾特（現為ADI公司的一部分）。

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