基于STM32的高精度溫敏二極管篩選系統(tǒng)

韓日華 陳嘉欣

摘要：本文通過分析溫敏二極管在不同工況下的測溫靈敏度及精度，采用了高精度互換電路設(shè)計(jì)，并提出了溫敏二極管篩選系統(tǒng)，其操作方便，智能控制，能提高篩選溫敏二極管的工作效率，節(jié)省人力，使得利用溫敏二極管制成的溫度傳感器的成品率高，可以將量產(chǎn)化的醫(yī)療體溫測量系統(tǒng)精度控制在0.1℃誤差內(nèi)，具有較好的應(yīng)用前景和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫敏二極管;高精度互換;體溫監(jiān)測

【中圖分類號】 R4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A? ? ? 【文章編號】2107-2306（2022）09--01

1? 引言

在溫敏二極管的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不同材料溫敏二極管的靈敏度大約都在-1.8至-2.2mV/℃，而且相同材料的溫敏二極管其零點(diǎn)工作電壓也不一致，零點(diǎn)工作電壓（0℃下溫敏二極管的正向電壓）大約有偏差值在-2mV至2mV，在醫(yī)療設(shè)備體溫測溫電路設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)同種材質(zhì)的溫敏二極管其偏差電壓對測溫精度影響較大，無法進(jìn)行大批量生產(chǎn)。本文介紹了一種溫敏二極管篩選系統(tǒng)進(jìn)行挑選方法，可使得批量溫敏二極管生產(chǎn)的測溫傳感器能夠滿足體溫測溫精度0.1℃的技術(shù)指標(biāo)要求。

2 PN結(jié)測溫原理

眾所周知，PN結(jié)測溫的理論基礎(chǔ)是著名的Shockley方程式，對于理想二極管對于正向電壓Uf不是太小，則當(dāng)正向電流為If時(shí)，其正向電壓Uf和溫度T之間的關(guān)系可由下式表示：

二極管正向電壓Uf和絕對溫度T之間并不具有理想的線性關(guān)系，并且Vgo和η是與二極管的結(jié)構(gòu)及材料等因素有關(guān)的常數(shù)，這樣對于同一型號及同一批次因材料、工藝等因素，同一型號和同一批次溫敏二極管零點(diǎn)工作電壓偏差在-2mV至2mV之間，具有較大的差異性，在較寬的溫度范圍內(nèi)如想獲得高精度的互換性無疑是非常困難的。

3電路設(shè)計(jì)及挑選方法

3.1溫敏二極管測溫挑選方法系統(tǒng)框圖

溫敏二極管測溫挑選方法系統(tǒng)框圖中電源模塊轉(zhuǎn)換電源電壓提供控制模塊、A/D采集模塊和恒流源的供電;恒流源（一般設(shè)定為1mA）向溫敏二極管提供穩(wěn)定的工作電流;溫敏二極管信號電路將溫敏二極管的溫度變化引起的電壓變化進(jìn)行放大;A/D采集模塊將溫敏二極管信號電路的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;恒溫水槽用于提供穩(wěn)定的溫度源;基準(zhǔn)溫度儀通過測量恒溫水槽的實(shí)際溫度，要求測溫精度在0.01℃，并將恒溫水槽的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)傳輸至MCU模塊;MCU模塊接收A/D采集模塊的數(shù)字信號和基準(zhǔn)測溫儀的實(shí)際溫度信號進(jìn)行處理將溫敏二極管的溫度數(shù)據(jù)、恒溫水槽的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)傳輸至顯示模塊進(jìn)行顯示。

通過設(shè)置不同的水溫，控制模塊獲得被測溫敏二極管在不同水溫的導(dǎo)通電壓，通過與控制模塊中預(yù)設(shè)的靈敏度及導(dǎo)通電壓參考值比較，對批量的溫敏二極管進(jìn)行檢測，通過繼電器切換的方式逐一對每個(gè)溫敏二極管進(jìn)行測試，并通過顯示器進(jìn)行顯示該通道的溫敏二極管是否符合要求，進(jìn)行批量自動(dòng)篩選。

4實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將恒溫水槽分別設(shè)定為34℃、42℃;恒流源電流設(shè)定為1mA電流值;待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，分別記錄34℃、42℃時(shí)溫敏二極管的正向電壓VFV、標(biāo)準(zhǔn)溫敏二極管的正向電壓V標(biāo)FV、各溫度點(diǎn)下的誤差值及靈敏度;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1：

5結(jié)論

通過溫敏二極管測溫篩選方法在靈敏度和導(dǎo)通電壓出現(xiàn)誤差的溫敏二極管進(jìn)行高精度采集電路設(shè)計(jì)，挑選溫敏二極管的靈敏度和導(dǎo)通電壓誤差允許范圍內(nèi)，通過批量篩選切換取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可精確刪除不滿溫度精度要求的溫敏二極管，篩選合格后的溫敏二極管具有良好的互換性，進(jìn)行正常的溫度檢測，提高了溫敏二極管的合格率，降低了溫敏二極管生產(chǎn)成本，提高了溫敏二極管的測溫精度，篩選后的溫敏二極管可批量應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備體溫高精度測量。

參考文獻(xiàn)：

馬英仁等編著.溫度敏感器件及應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，1988：94～152.

郝秀芬，張迎春.PN 結(jié)溫度傳感器的應(yīng)用.儀表技術(shù)，1994，（1）：38～40.

孫圣和編著《現(xiàn)代時(shí)域測量》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.

〔奧〕塞爾勃赫著 阮剛，湯庭鰲，章倩菩譯 半導(dǎo)體器件的分析與模擬.上?？茖W(xué)出版社 1988.

Szmka-Grzeby K A. Current-Vo lta ge charac teristics o f silicon diodes used as thermome ters. Cr yog enics， 1993， 32（2）： 222～ 225 .