精準(zhǔn)的硅芯片溫度檢測——顯示測量精度為±0.1°C

簡介

電子行業(yè)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(yōu)缺點(diǎn)。硅芯片溫度傳感器，線性度相對較高，而且精度遠(yuǎn)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，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(xù)幾天面對新冰箱毫無變化的數(shù)字讀數(shù)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(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(yīng)依賴于兩個(gè)結(jié)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(xù)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器(RTD)來測量中溫(<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。雖然這些器件無法測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 這類的組件來進(jìn)行校準(zhǔn)。

二極管隨處可見，但(Vbe)壓降至吸電流并非如此...

為了測試這個(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)，無法測量（例如）體溫，體溫測量通常需要達(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庫侖），k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38 × 10–23)，T為絕對溫度。

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

與Ic相比，Is很小，所以我們可以忽略方程2中的1項(xiàng)。我們現(xiàn)在可以看到，Vbe根據(jù)Ic中的對數(shù)變化呈線性變化。我們也可以看到，如果Ic和Is是常數(shù)，那么Vbe隨溫度呈線性變化，因?yàn)閗和q也是常數(shù)。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(xiàng)任務(wù)很簡單。

Is與晶體管的幾何形狀有關(guān)，并且對溫度有很強(qiáng)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(huì)翻倍。雖然ln函數(shù)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題，因此需要校準(zhǔn)。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(zhǔn)的比率電流，所以大多數(shù)硅芯片傳感器都使用這種結(jié)構(gòu)。電流的對數(shù)變化會(huì)引起Vbe出現(xiàn)線性變化，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?yàn)?/p>

我們可以看出

通過使不同的電流通過每個(gè)晶體管并測量Vbe的差值，我們消除了非線性Is項(xiàng)、不同的Vbe的影響，以及與晶體管的幾何形狀相關(guān)的所有其他非線性效應(yīng)。因?yàn)閗、q和ln10都是常數(shù)，所以Vbe的變化與絕對溫度(PTAT)成正比。當(dāng)電流差為10倍時(shí)，兩個(gè)Vbe的電流差在大約198 μV/°C時(shí)隨溫度呈線性變化。參見圖1查看實(shí)現(xiàn)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(gè)內(nèi)部電阻范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)很高的自發(fā)熱和壓降，從而影響測量結(jié)果。如果電流過低，晶體管內(nèi)部的漏電流會(huì)增大誤差。

還應(yīng)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(shè)計(jì)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(shù)），這樣集電極電流與發(fā)射極電流成比例。

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

是一只鳥？還是一架飛機(jī)？

不，這是一個(gè)超級溫度計(jì)。是的，它們確實(shí)存在。需要將未校準(zhǔn)的硅芯片溫度傳感器放入裝滿硅油的浴缸中，準(zhǔn)確加熱到所需的溫度，然后使用超級溫度計(jì)進(jìn)行測量。這些器件的測量精度可以精確到超過小數(shù)點(diǎn)后五位。將傳感器內(nèi)部的保險(xiǎn)絲熔斷，以調(diào)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(gè)周期內(nèi)校準(zhǔn)許多器件。

ADT7422在25℃至50℃溫度范圍內(nèi)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(zhǔn)監(jiān)測生命體征。在工業(yè)應(yīng)用中使用時(shí)，我們對ADT7320進(jìn)行了調(diào)整，使其精度達(dá)到±0.2℃，但溫度范圍擴(kuò)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(zhǔn)并不是唯一的問題。采用極其精確的基準(zhǔn)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(huì)使零件的溫度提高到260℃，導(dǎo)致塑料封裝軟化，裸片的引線框架變形，這樣當(dāng)零件冷卻，塑料變硬時(shí)，機(jī)械應(yīng)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(xì)致的實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)0.8 mm的PCB厚度最為合適，即使在焊接之后，也可以達(dá)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，并編寫了幾百行C語言代碼來初始化傳感器和提取數(shù)據(jù)——可以通過在DIN引腳上連續(xù)寫入32個(gè)1s來輕松初始化這個(gè)部分。配置寄存器被設(shè)置為使ADT7320以16位精度連續(xù)轉(zhuǎn)換。從ADT7320上讀取數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換。為了便于使用非常低端的微控制器，所以我手動(dòng)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(zhǔn)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(chǔ)食品并不需要達(dá)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(nèi)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(jié)論

硅芯片溫度傳感器已取得長足進(jìn)步，變得非常精確，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的生命體征監(jiān)測精度。雖然它們內(nèi)部的技術(shù)都是基于成熟的原理，但要使它們達(dá)到亞度精度水平，還是需要付出巨大的努力。即使達(dá)到了這種精度水平，機(jī)械應(yīng)力和焊接也很容易抹掉數(shù)小時(shí)校準(zhǔn)所取得的成果。

ADT7320和ADT7422代表了多年來達(dá)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(shè)計(jì) ，第2卷，第32章。凌力爾特，2012年12月。

AD590 數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2013年1月。

ADT5912數(shù)據(jù)手冊（即將發(fā)布）。ADI公司

作者簡介

Simon Bramble于1991年畢業(yè)于倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)，擁有電氣工程和電子學(xué)學(xué)位，專門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(xiàn)為ADI公司的一部分）。