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Silicon Temperature Sensing with Precision—An Autobiographical Look at Measuring Temperature to ±0.1°C 作者：ADI公司 Simon Bramble，現場(chǎng)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(wú)需線(xiàn)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(jiǎn)介 電子行業(yè)對精度的要求越來(lái)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(yōu)缺點(diǎn)。硅芯片溫度傳感器，線(xiàn)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(lǐng)域的最新進(jìn)展意味著(zhù)，使用硅芯片解決方案將可以實(shí)現高分辨率和高精度。 新冰箱 那時(shí)正是2020年3月，英國即將進(jìn)入封鎖狀態(tài)。全球都在囤積食物，以防超市關(guān)門(mén)，而未來(lái)似乎充滿(mǎn)不確定。就在這種時(shí)候，Bramble家的冰箱罷工了。滿(mǎn)腦子都回響著(zhù)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(kāi)我”，我們開(kāi)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(gè)小時(shí)后，冰箱達到了所需的溫度，可以開(kāi)始存放食物了。我有點(diǎn)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(wèn)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(wú)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(yè)應用中使用的溫度傳感器種類(lèi)繁多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。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(fā)現的那樣，它們基于兩個(gè)結點(diǎn)之間產(chǎn)生的電壓，每個(gè)結點(diǎn)都由不同的金屬構成，放置于不同溫度環(huán)境下。對于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，可用于測量超過(guò)1000°C的溫度。但是，塞貝克效應依賴(lài)于兩個(gè)結點(diǎn)之間的溫度差，因此，在熱端測量相關(guān)溫度時(shí)，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(gè)溫度傳感器來(lái)測量溫度，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，能夠快速響應溫度變化。 RTD 行業(yè)廣泛使用電阻溫度檢測器(RTD)來(lái)測量中溫(<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)法測量熱電偶那樣的高溫，但它們具有高線(xiàn)性度，且重復性較好。PT100需要精確的驅動(dòng)電流，從而在傳感器上產(chǎn)生一個(gè)與溫度成比例的準確的壓降。PT100連接線(xiàn)的電阻導致傳感器的電阻測量出現誤差，所以開(kāi)爾文連接是最典型的傳感器使用方法，因此出現3線(xiàn)或4線(xiàn)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(xiàn)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大幅變化，所以，盡管它具有非線(xiàn)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(gè)熱敏電阻的非線(xiàn)性是明確定義的，所以可以使用LTC2986這類(lèi)的組件來(lái)進(jìn)行校準。 二極管隨處可見(jiàn)，但(Vbe)壓降至吸電流并非如此... 為了測試這個(gè)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(wú)需冷端溫度補償或線(xiàn)性化，可以提供模擬和數字輸出，且預先經(jīng)過(guò)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(tài)，但它們一直不夠精準，無(wú)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(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(lài)性，根據莫爾方程，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(gè)應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結的耗盡區與空穴重新結合所產(chǎn)生的復合電流，這表明二極管電流與Vbe和溫度具有非線(xiàn)性關(guān)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(huì )出現在集電極電流中，因此非線(xiàn)性程度要低得多。 整合上述因素可以得出
與Ic相比，Is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，Vbe根據Ic中的對數變化呈線(xiàn)性變化。我們也可以看到，如果Ic和Is是常數，那么Vbe隨溫度呈線(xiàn)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Vbe如何隨溫度變化，這項任務(wù)很簡(jiǎn)單。 Is與晶體管的幾何形狀有關(guān)，并且對溫度有很強的依賴(lài)性。和許多硅芯片器件一樣，溫度每上升10°C，其值就會(huì )翻倍。雖然ln函數降低了電流變化的影響，但仍然存在Vbe的絕對值隨晶體管的變化而變化的問(wèn)題，因此需要校準。所以，實(shí)際的硅芯片溫度傳感器使用兩個(gè)完全相同的晶體管，迫使1 Ic集電極電流進(jìn)入一個(gè)晶體管，10 Ic進(jìn)入另一個(gè)。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(huì )引起Vbe出現線(xiàn)性變化，然后測量Vbe的差值。 由方程2可知，對于溫度相同的兩個(gè)晶體管，其Vbe的差值為
這是因為
我們可以看出
通過(guò)使不同的電流通過(guò)每個(gè)晶體管并測量Vbe的差值，我們消除了非線(xiàn)性Is項、不同的Vbe的影響，以及與晶體管的幾何形狀相關(guān)的所有其他非線(xiàn)性效應。因為k、q和ln10都是常數，所以Vbe的變化與絕對溫度(PTAT)成正比。當電流差為10倍時(shí)，兩個(gè)Vbe的電流差在大約198 μV/°C時(shí)隨溫度呈線(xiàn)性變化。參見(jiàn)圖1查看實(shí)現這一效果的簡(jiǎn)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(guò)高，在晶體管的整個(gè)內部電阻范圍內，會(huì )出現很高的自發(fā)熱和壓降，從而影響測量結果。如果電流過(guò)低，晶體管內部的漏電流會(huì )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(guān)，而在圖1中，晶體管中注入的是恒定的發(fā)射極電流。在設計晶體管時(shí)，可以明確確定集電極和發(fā)射極電流之間的比例（且接近整數），這樣集電極電流與發(fā)射極電流成比例。 這還只是開(kāi)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(niǎo)？還是一架飛機？ 不，這是一個(gè)超級溫度計。是的，它們確實(shí)存在。需要將未校準的硅芯片溫度傳感器放入裝滿(mǎn)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(jìn)行測量。這些器件的測量精度可以精確到超過(guò)小數點(diǎn)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(xiàn)性化。硅油提供非常均勻的溫度，因此可以在一個(gè)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(gè)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(yè)應用中使用時(shí)，我們對ADT7320進(jìn)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(wèn)題。采用極其精確的基準電壓時(shí)，裸片上的壓力會(huì )破壞傳感器的精度，以及PCB的熱膨脹、引線(xiàn)框架、模塑和裸露焊盤(pán)，所有這些都需要考慮。焊接工藝本身也有問(wèn)題。焊料回流工藝會(huì )使零件的溫度提高到260℃，導致塑料封裝軟化，裸片的引線(xiàn)框架變形，這樣當零件冷卻，塑料變硬時(shí)，機械應力會(huì )被封存在裸片中。ADI公司的工程師花了好幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行細致的實(shí)驗，最終發(fā)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(gè)微控制器和一個(gè)LCD顯示器上，并編寫(xiě)了幾百行C語(yǔ)言代碼來(lái)初始化傳感器和提取數據——可以通過(guò)在DIN引腳上連續寫(xiě)入32個(gè)1s來(lái)輕松初始化這個(gè)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(huì )發(fā)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(dòng)編寫(xiě)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(cháng)足進(jìn)步，變得非常精確，能夠實(shí)現非常高的生命體征監測精度。雖然它們內部的技術(shù)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(shí)校準所取得的成果。 ADT7320和ADT7422代表了多年來(lái)達到亞度級精度溫度表征的技術(shù)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(shù)。劍橋大學(xué)出版社，2015年4月。 Huijsing, Johan和Michiel Pertijis。采用CMOS技術(shù)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(fā)布）。ADI公司 作者簡(jiǎn)介 Simon Bramble于1991年畢業(yè)于倫敦布魯內爾大學(xué)，擁有電氣工程和電子學(xué)學(xué)位，專(zhuān)門(mén)從事模擬電子器件和電源工作。他的職業(yè)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）。聯(lián)系方式：simon.bramble@analog.com。 |
