溫度傳感器的歷史發(fā)展與研究現(xiàn)狀

1、溫度傳感器的歷史發(fā)展與研究現(xiàn)狀摘 要：本文通過查閱各類文獻(xiàn)并進(jìn)行分析總結(jié)，簡(jiǎn)述了溫度傳感器的意義和作用，介紹了溫度傳感器的發(fā)展歷史，列舉并分析了常用溫度傳感器的類型，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外溫度傳感器設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展，著重闡述了國(guó)外先進(jìn)的cmos模擬集成溫度傳感器的主要原理。最后，文章對(duì)溫度傳感器的未來發(fā)展方向做出了說明。關(guān)鍵詞：溫度傳感器，ic溫度傳感器，cmos集成溫度傳感器一、背景介紹1.1緒言人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官，而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中，它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的

2、信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。1傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。2溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)，它與人類生活環(huán)境有著密切關(guān)系。早在2000多年前，人類就開始為檢測(cè)溫度進(jìn)行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測(cè)溫度。3在人類社會(huì)中，無論工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。4在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化流程中，溫度測(cè)量點(diǎn)一般要占全部測(cè)量點(diǎn)的一半左右。5因此，人類離不開溫度傳感器

3、。傳感器技術(shù)因而成為許多應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，成為當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家普遍重視并大力發(fā)展的高新技術(shù)之一，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。61.2溫度傳感器的發(fā)展歷史和主要分類人們研究溫度測(cè)量的歷史已經(jīng)相當(dāng)?shù)木眠h(yuǎn)了。公元1600年，伽利略研制出氣體溫度計(jì)。7一百年后，酒精溫度計(jì)8和水銀溫度計(jì)9問世。到了1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明了熱電偶傳感器10，人類真正的第一次把溫度變成了電信號(hào)。此后，隨著技術(shù)的發(fā)展，人們研制出了各種溫度傳感器。本世紀(jì)，在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，相繼誕生了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、pn結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。11與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼

4、開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。12溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器(rtd)和ic溫度傳感器。13熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過程。然而熱電偶傳感器的靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。14ic溫度傳感器即數(shù)字集成溫度傳感器，其外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了

5、無數(shù)的便利和功能。尤其是cmos工藝實(shí)現(xiàn)的智能溫度傳感芯片具有低成本、低功耗、與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字工藝兼容以及芯片面積小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)取代了雙極型工藝。ic溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型，最主要的特點(diǎn)之一是將溫度傳感模塊和信號(hào)的處理電路同時(shí)集成在一個(gè)芯片上。15二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1研究方向及進(jìn)展2.1.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展我國(guó)改革開放在“發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”、“大力加強(qiáng)傳感器的開發(fā)和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的普遍應(yīng)用”等一些列政策導(dǎo)向和支持下16，在蓬勃發(fā)展的我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，傳感器已形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并在技術(shù)創(chuàng)新、自主研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和競(jìng)爭(zhēng)能力等方面有了長(zhǎng)足進(jìn)展，為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)

6、展做出了重要貢獻(xiàn)。17但由于國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，基礎(chǔ)比較薄弱，對(duì)溫度傳感芯片的設(shè)計(jì)和研究才處于起步階段，與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相比還存在相當(dāng)大的差距18。為此，相關(guān)的企業(yè)和部門正朝著更高的目標(biāo)前進(jìn)，做出了一系列積極的嘗試和探索，例如由中國(guó)電子器材總公司主辦的、由中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)等公司共同攜手組織的“中國(guó)熱敏電阻及溫度傳感器展覽會(huì)”，該展覽會(huì)是中國(guó)最大的熱敏電阻及溫度傳感器展，以共同探討交流中國(guó)“熱敏電阻及溫度傳感器”之發(fā)展機(jī)會(huì)，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。19在集成數(shù)字智能溫度傳感器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究尚處于較基礎(chǔ)的階段。目前市場(chǎng)上流行的同類溫度傳感器諸如ds18b20，ad7416 ，ad7417

7、，ad7418，ad590等f，大多出自國(guó)外dallas、adi等大公司。20國(guó)內(nèi)公司不僅相關(guān)產(chǎn)品少，而且已申請(qǐng)到的相關(guān)專利也比較少，除了廈門大學(xué)等高校申請(qǐng)的專利外21，還有香港應(yīng)用科技研究院22、蘇州納芯微電子23、北京中電華大電子設(shè)計(jì)24、上海貝嶺25等少數(shù)研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)的專利，雖然其專利名稱較大，但技術(shù)涉及點(diǎn)比較有限。因此，在集成數(shù)字溫度傳感器方面，我國(guó)尚有較大的發(fā)展空間。262.1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展國(guó)外情況方面，全世界現(xiàn)在大概有50個(gè)國(guó)家從事傳感器的研制生產(chǎn)工作，研發(fā)、生產(chǎn)單位數(shù)千余家。在市場(chǎng)上，溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場(chǎng)合時(shí)dallas(達(dá)拉斯)公司生產(chǎn)的

8、ds18b20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。27ds18b20是美國(guó)dallas半導(dǎo)體公司繼ds1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀書方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從ds18b20讀出的信息或?qū)懭雂s18b20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的ds18b20供電，而無需額外電源。因而使用ds18b20可是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高，而其超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能

9、強(qiáng)，使得ds18b20更受歡迎。28對(duì)于普通的電子愛好者來說，ds18b20的優(yōu)勢(shì)更是學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)和開發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。29ds18b20的主要特征有：全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出；先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信；最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度；12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750毫秒；可選擇寄生工作方式；檢測(cè)溫度范圍為55°c +125°c (67°f +257°f)；內(nèi)置eeprom，限溫報(bào)警功能；64位光刻rom，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接；多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。30ds18b20以其較高的綜合性能獲得了較高的市場(chǎng)率，但其精度僅能

10、實(shí)現(xiàn)-10°c+85°c下誤差土0.5°c，這與其使用的測(cè)溫原理有關(guān)，ds18b20采用了不同溫度系數(shù)的振蕩器測(cè)量振蕩周期的方法進(jìn)行測(cè)溫，較高的非線性可能導(dǎo)致其精度無法提升?？v觀國(guó)外溫度傳感器的研制情況，精度及其他指標(biāo)最高的，還屬于智能型的cmos集成溫度傳感器。該傳感器使用的是雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓vbe作為測(cè)溫信號(hào)，通過直流低頻信號(hào)直接測(cè)量出溫度的變化。從集電極電流ic和基極-發(fā)射極電壓vbe之間著名的指數(shù)關(guān)系，可以得到以下vbe與絕對(duì)溫度t的關(guān)系函數(shù)。vbe(t)幾乎是溫度的線性函數(shù)，其典型的斜率是-2mv/k。如果集電極電流比是常數(shù)，兩個(gè)不同集電極

11、電流ic1和ic2驅(qū)動(dòng)的晶體管vbe的差值vbe與絕對(duì)溫度成正比關(guān)系（ptat）。在一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源中，放大的vbe加到vbe上產(chǎn)生一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓vref，在后面的adc中可以利用這些量準(zhǔn)確的測(cè)量出與溫度正比的物理量，從而計(jì)算得到比較準(zhǔn)確的溫度值。31國(guó)外的智能溫度傳感芯片多采用9-12位的a/d轉(zhuǎn)換器，其分辨力可達(dá)0.5-0.0625。這些只能的溫度傳感器大多由片上- adc和數(shù)字總線接口在 cmos工藝下實(shí)現(xiàn)。傳感器使用襯底pnp晶體管用于產(chǎn)生溫度傳感器和adc的參考電壓。通過使用斬波放大器和動(dòng)態(tài)元件匹配使得讀出電路獲得了高的初始精度，采用二階曲率校正獲得高線性度。通過一系列的

12、措施降低或消除各種非理想因素，最后使得傳感器的溫度偏差主要由pnp晶體管的基極-發(fā)射極電壓決定的，并利用片內(nèi)額外的晶體管測(cè)量校準(zhǔn)得到環(huán)境溫度，與傳感器的輸出相比較整理后得到最終結(jié)果。相比于傳統(tǒng)的測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)，這個(gè)方案更迅速、生產(chǎn)成本更低。322002年由maxim公司研制的max6657型智能溫度傳感器，輸出11位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力可達(dá)0.125，測(cè)溫精度為1；2005年菲利普michiel a. p. pertijs及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表的溫度傳感技術(shù)，其研究成果可以實(shí)現(xiàn)-50到120時(shí)±0.5的精度31，同年將精度提高到最高的±0.132，成為當(dāng)時(shí)精度標(biāo)準(zhǔn)最高的溫度傳感器；20

13、09年英特爾hasnain lakdawala及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表了體積更小的32nm、精度0.45的溫度傳感器33。這幾年來溫度傳感器的研究仍朝著精度更高、體積更小的發(fā)展趨勢(shì)在前進(jìn)。342.2存在問題cmos溫度傳感器存在的問題主要是由于各個(gè)模塊的各種非理想因素，引起輸出的誤差，造成溫度傳感器精度下降。為了消除這些非理想因素的影響，就需要使用各種各樣的方法來解決問題。首先，vbe的曲率也將表現(xiàn)在參考電壓vref中，反過來也會(huì)導(dǎo)致（t）的非線性。（1）的最后兩項(xiàng)模仿了曲率。對(duì)于=4.4時(shí)和與溫度成正比的集電極電流，在-50到120范圍中相應(yīng)的非線性達(dá)到2。幸運(yùn)的是，曲率的二階成分可以很容易地通過給vr

14、ef一個(gè)小的正溫度系數(shù)來消除35，即，在（3）中略大于帶隙基準(zhǔn)。用適當(dāng)?shù)闹担蕾嚋囟鹊膙ref引起的二階非線性剛好消除了vbe產(chǎn)生的二階非線性，只剩下約0.3以內(nèi)的三階非線性。其次，依賴vbe電流源的誤差主要取決于直接加到vbe上的運(yùn)放零點(diǎn)偏移量vos。為了達(dá)到0.1的溫度誤差，這個(gè)偏移量必須小于10v。由于cmos運(yùn)算放大器的典型偏移在毫伏范圍，偏移的消除是必需的。電流源和pnp晶體管間的不匹配也會(huì)導(dǎo)致溫度誤差。為使這些誤差可以忽略不計(jì)，匹配必須優(yōu)于0.035%，這就需要?jiǎng)討B(tài)元件匹配。運(yùn)算放大器的偏移可以使用斬波技術(shù)消除。一個(gè)普通的斬波放大器，一雙斬波開關(guān)加在需要消除偏移vos的放大器上36

15、。輸入處的斬波器調(diào)制輸入信號(hào)到控制信號(hào)頻率h上，并位于偏移和放大器的拐點(diǎn)頻率1/f以上。輸出處的斬波器解調(diào)被放大的輸入信號(hào)，同時(shí)調(diào)制被放大的偏移和1/f閃爍噪聲到頻率h上，這樣就可通過一個(gè)低通濾波器（lpf）來濾掉。33此外，為了校準(zhǔn)任何集成溫度傳感器，它的溫度讀數(shù)都要與同溫度下的參考溫度計(jì)讀數(shù)相比較，讀數(shù)之間的差值可以用來修正傳感器。該校準(zhǔn)通常是在晶圓級(jí)完成的，它的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)晶片的溫度可以穩(wěn)定地測(cè)量，單個(gè)傳感器可以用晶圓探針進(jìn)行校準(zhǔn)修正。但這種方法一個(gè)嚴(yán)重的缺陷是，未考慮到的封裝壓力帶來附加的誤差。即使傳感器使用對(duì)壓力不敏感的襯底pnp晶體管時(shí)，如果使用低成本的塑料封裝也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差?；?/p>

16、于這樣pnp管的帶隙基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明vbe偏移了2mv，這意味著溫度產(chǎn)生約0.5誤差。因此，封裝后的校準(zhǔn)是必要的。37最后，由于傳感器使用襯底pnp晶體管的溫度測(cè)量，其誤差還會(huì)來源于讀出電路的其他非理想因素。通過使用動(dòng)態(tài)元件匹配、不依賴ptat偏置電路的斬波電流增益、結(jié)合斬波相關(guān)雙采樣的低偏置二階- adc，該誤差減少到更低的水平。38三、研究展望近年來全球傳感器產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展，隨著中國(guó)加大對(duì)電子新興產(chǎn)業(yè)的投資力度，公眾對(duì)公共安丘、健康監(jiān)測(cè)、環(huán)保等諸多領(lǐng)域的關(guān)注加強(qiáng)，可以預(yù)測(cè)傳感器的市場(chǎng)前景將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等。39面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、科技的快速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)等新興市場(chǎng)的崛起，

17、國(guó)內(nèi)傳感器企業(yè)應(yīng)該把握機(jī)遇，著眼于全球市場(chǎng)，以競(jìng)爭(zhēng)者的姿態(tài)去迎接全球市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，努力發(fā)展和規(guī)劃自有品牌，讓中國(guó)的傳感器企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。40隨著新技術(shù)新工藝的發(fā)現(xiàn)，多學(xué)科的交叉融合，未來傳感器的發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)也將趨于白熱化。綜合現(xiàn)階段的技術(shù)以及基礎(chǔ)知識(shí)，我們可以展望未來的溫度傳感器的主要發(fā)展方向?yàn)椋?1（1）提高測(cè)溫精度和分辨力（2）增加測(cè)試功能（3）總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化（4）可靠性及安全性設(shè)計(jì)（5）虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器（6）單片測(cè)溫系統(tǒng)參考文獻(xiàn)1張萍. cmos集成溫度傳感器的研究與設(shè)計(jì)d. : 西安電子科技大學(xué),2009.2賈亞科. 模擬cmos溫度傳感器的設(shè)計(jì)d.

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