簡述半導體溫度傳感器設計

摘要:傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業生產、科學研究和生活等領域，數量高居各種傳感器之首。半導體傳感器是利用某些半導體的電阻隨溫度變化而變化的特性制成的。半導體具有很寬的溫度反應特性，各種半導體的溫度反應區段不同。

關鍵詞:半導體 溫度傳感器

一、溫度傳感器原理

溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。在半導體技術的支持下，相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。溫度傳感器有四種主要類型:熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。

1、接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。

2、非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。 非接觸測溫優點:測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。

二、智能溫度傳感器發展的新趨勢

進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展。

1、提高測溫精度和分辨力 在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1℃。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9~12位A/D轉換器，分辨力一般可達0.5~0.0625℃。

2、增加測試功能 新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發展，這就為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率，分辨力及最大轉換時間。 智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發展而成的。

3、可靠性及安全性設計 傳統的A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D轉換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號轉換成數字信號，再利用過采樣、噪聲整形和數字濾波技術，來提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低。

三、半導體溫度傳感器測溫原理及其關鍵技術

硅基IC電路中，可實現溫度傳感功能的元器件主要有集成電阻器、二極管、雙極晶體管、MOS晶體管。當然，還有各種利用MEMS工藝制造的熱敏電阻器、熱電偶等，但目前基本上還與CMOS工藝不兼容。

1、雙極晶體管溫度傳感器

二極管的電流包括擴散電流和耗盡層、表面層里的產生復合電流，后者在雙極晶體管的基極互相抵消，所以，正向偏置的雙極晶體管的集電極電流IC基本上都是純擴散電流，若利用高精度電流源，令2個匹配晶體管的集電極電流相同，ΔVBE將和絕對溫度成正比。但這樣得到的溫度電壓曲線起點是絕對零度，對于-50～150℃的測溫范圍，電壓輸出不是0～5V，對于后端A/D來說，需要額外的電平移動電路。通過構造Vf=aVptat-VBE1和Vref=VBE1+aVptat可以得到任意的過零點TZ以及幾乎不隨溫度變化的恒壓源。采用BJT的優點是低成本、長期穩定性、高靈敏度、可預測性較高，以及相關溫度的時間非依賴性。缺點是受自生成熟、工藝容差的影響，以及熱循環后信號有小漂移和小數量級的非線性。為了工藝兼容，需要采用寄生三極管技術實現，主要有2種結構:縱向雙極晶體管，橫向雙極晶體管。

2、CMOS溫度傳感器

利用CMOS構建溫度傳感器一般有2種途徑。其一是利用MOS管的亞閾值區構造MOS管的PTAT，靈敏度可達1.32mV/℃，但對偏置源的依賴有100mV/V，且高溫下會產生漏電，因對閾值電壓VT依賴大，在高性能要求時，必須有大范圍的微調和校準，不具備長期穩定性;另一途徑是通過強反型狀態下，MOS管的載流子遷移率μ與VT和溫度的關系加以測量。基于此有5種設計方案:即只基于μ隨溫度的改變;只基于VT隨溫度的改變;同時考慮VT和μ2個變量;利用MOS器件的零溫度系數點，以及利用邏輯門延時隨溫度增加的原理來構建的數字環振。CMOS溫度傳感器和基于寄生BJT的溫度傳感器相比的主要優勢在于模型精確，受封裝影響小，在AC電源下襯底漏電小，且占用芯片面積小等優勢，但其主要的缺點是受工藝波動的影響要大于后者，所以，產業界目前仍普遍采用CVBT技術。

3、半導體溫度傳感器

輸出方式采用模擬輸出的溫度傳感器需要外加線性化電路及校準，因此，會使成本增加。而數字化接口或頻率輸出能使性能更可靠，即使在量產時仍能保持其精確度。頻率輸出通常采用的方法是做一個環形振蕩器或張馳振蕩器。前者會受VDD變化的影響，而后者理論上與VDD無關。兩者都基于相同的原理，通過對電容器的充放電產生振蕩，充放電電流來源于某個溫度敏感元件。為了數字接口輸出，有通過片上計數器實現，其主要缺點是面積大;另一種方案是采用片上集成A/D，然后，通過I2C等總線協議輸出。

結論

溫度傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。該領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，隨著新一代溫度傳感器的開發和產業化，競爭也將變得日益激烈。

參考文獻

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