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(shù)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(tǒng)存在潛在故障。
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。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(lǐng)域的最新進展意味著，使用硅芯片解決方案將可以實現(xiàn)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(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(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(shù)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(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)應用中使用的溫度傳感器種類繁多，各有其優(yōu)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(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，它們基于兩個結(jié)點之間產(chǎn)生的電壓，每個結(jié)點都由不同的金屬構(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，塞貝克效應依賴于兩個結(jié)點之間的溫度差，因此，在熱端測量相關(guān)溫度時，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(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(yè)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(qū)動電流，從而在傳感器上產(chǎn)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(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)點是，電阻會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(Vbe)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(shù)字輸出，且預先經(jīng)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(shè)備的健康狀態(tài)，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(jù)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(jié)的耗盡區(qū)與空穴重新結(jié)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。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，因為k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，這項任務很簡單。
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(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。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 Ic集電極電流進入一個晶體管，10 Ic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(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晶體管，其Vbe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Vbe的差值，我們消除了非線性Is項、不同的Vbe的影響，以及與晶體管的幾何形狀相關(guān)的所有其他非線性效應。因為k、q和ln10都是常數(shù)，所以Vbe的變化與絕對溫度(PTAT)成正比。當電流差為10倍時，兩個Vbe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(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，在晶體管的整個內(nèi)部電阻范圍內(nèi)，會出現(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(shè)計晶體管時，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？
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(shù)點后五位。將傳感器內(nèi)部的保險絲熔斷，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，因此可以在一個周期內(nèi)校準許多器件。
ADT7422在25℃至50℃溫度范圍內(nèi)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(jiān)測生命體征。在工業(yè)應用中使用時，我們對ADT7320進行了調(diào)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(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(shù)據(jù)——可以通過在DIN引腳上連續(xù)寫入32個1s來輕松初始化這個部分。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(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(shù)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(shù)頂峰，即使是在焊接到PCB上之后。
