2022年温度传感器的历史发展与研究现状.pdf

1 温度传感器的历史发展与研究现状摘要：本文通过查阅各类文献并进行分析总结，简述了温度传感器的意义和作用，介绍了温度传感器的发展历史， 列举并分析了常用温度传感器的类型，比照了国内外温度传感器设计和研究领域的现状与发展， 着重阐述了国外先进的CMOS 模拟集成温度传感器的主要原理最后，文章对温度传感器的未来发展方向做出了说明关键词：温度传感器， IC 温度传感器， CMOS 集成温度传感器一、背景介绍绪言人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中，它们的功能就远远不够了为适应这种情况，就需要传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求1传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置它是实现自动测量和自动控制的首要环节2温度是反映物体冷热状态的物理参数，它与人类生活环境有着密切关系早在2000 多年前，人类就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。

3在人类社会中，无论工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系4在工业生产自动化流程中，温度测量点一般要占全部测量点的一半左右5因此，人类离不开温度传感器 传感器技术因而成为许多应用技术的基础环节，成为当今世界发达国家普遍重视并大力发展的高新技术之一，它与通信技术、 电脑技术共同构成了现代信息产业的三大支柱6温度传感器的发展历史和主要分类人们研究温度测量的历史已经相当的久远了公元 1600 年， 伽利略研制出气体温度计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 8 页2 7一百年后，酒精温度计8和水银温度计9问世到了 1821年，德国物理学家赛贝发明了热电偶传感器10，人类真正的第一次把温度变成了电信号此后，随着技术的发展，人们研制出了各种温度传感器本世纪，在半导体技术的支持下，相继诞生了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器11与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器12温度传感器有四种主要类型： 热电偶、 热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD)和 IC 温度传感器。

13热电偶传感器有自己的优点和缺陷热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程 然而热电偶传感器的灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化14IC 温度传感器即数字集成温度传感器，其外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能尤其是CMOS 工艺实现的智能温度传感芯片具有低成本、低功耗、与标准数字工艺兼容以及芯片面积小等优点，已经取代了双极型工艺 IC 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型，最主要的特点之一是将温度传感模块和信号的处理电路同时集成在一个芯片上15二、国内外研究现状研究方向及进展2 国内研究现状及发展我国改革开放在 “ 发展高科技，实现产业化” 、“ 大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用 ” 等一些列政策导向和支持下16， 在蓬勃发展的我国电子信息产业市场的推动下，传感器已形成了一定的产业基础，并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有了长足进展，为促进国民经济的发展做出了重要奉献。

17但由于国内的半导体产业起步较晚，基础比较薄弱， 对温度传感芯片的设计和研究才处于起步阶段，与国际先进技术相比还存在相当大的差距18为此，相关的企业和部门正朝着更高的目标前进，做出了一系列积极的尝试和探索，例如由中国电子器材总公司主办的、由中国电子元件行业协会等公司共同携手组织的“ 中国热敏电阻及温度传感器展览会” ，该展览会是中国最大的热敏电阻及温度传感器展，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页3 以共同探讨交流中国 “ 热敏电阻及温度传感器 ” 之发展时机，促进行业发展19 在集成数字智能温度传感器领域，国内相关的设计和研究尚处于较基础的阶段目前市场上流行的同类温度传感器诸如DS18B20，AD7416 ，AD7417，AD7418，AD590 等 F，大多出自国外 DALLAS 、ADI 等大公司20国内公司不仅相关产品少，而且已申请到的相关专利也比较少，除了厦门大学等高校申请的专利外21，还有香港应用科技研究院22、苏州纳芯微电子23、北京中电华大电子设计24、上海贝岭25等少数研究机构或企业的专利，虽然其专利名称较大，但技术涉及点比较有限。

因此，在集成数字温度传感器方面，我国尚有较大的发展空间26国外研究现状及发展国外情况方面，全世界现在大概有50 个国家从事传感器的研制生产工作，研发、生产单位数千余家在市场上，温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS( 达拉斯 )公司生产的 DS18B20 温度传感器当仁不让27DS18B20是美国 DALLAS半导体公司继 DS1820之后最新推出的一种改良型智能温度传感器与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12 位的数字值读书方式可以分别在和 750ms内完成 9 位和 12位的数字量， 并且从 DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线单线接口读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20 供电，而无需额外电源因而使用DS18B20可是系统结构更趋简单，可靠性更高，而其超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得 DS18B20 更受欢送28对于普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择29DS18B20的主要特征有：全数字温度转换及输出；先进的单总线数据通信；最高12 位分辨率，精度可达土摄氏度；12 位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；可选择寄生工作方式；检测温度范围为 55 C +125 C ( 67 F +257 F)；内置 EEPROM，限温报警功能； 64位光刻 ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；多样封装形式，适应不同硬件系统。

30DS18B20以其较高的综合性能获得了较高的市场率，但其精度仅能实现-10 C+85 C下误差土 C，这与其使用的测温原理有关，DS18B20 采用了不同温度系数的振荡器测量振荡周期的方法进行测温， 较高的非线性可能导致其精度无法提升纵观国外温度传感器的研制情况，精度及其他指标最高的，还属于智能型的CMOS 集成温度传感器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 8 页4 该传感器使用的是双极型晶体管的基极-发射极电压 VBE 作为测温信号， 通过直流低频信号直接测量出温度的变化从集电极电流IC 和基极 -发射极电压 VBE 之间著名的指数关系，可以得到以下VBE 与绝对温度 T 的关系函数VBE(T) 几乎是温度的线性函数，其典型的斜率是-2mV/K 如果集电极电流比是常数，两个不同集电极电流IC1 和 IC2 驱动的晶体管 VBE的差值 VBE与绝对温度成正比关系PTAT 在一个带隙基准电压源中，放大的VBE加到 VBE上产生一个与温度无关的基准电压VREF，在后面的 ADC 中可以利用这些量准确的测量出与温度正比的物理量，从而计算得到比较准确的温度值。

31国外的智能温度传感芯片多采用9-12 位的 A/D 转换器，其分辨力可达这些只能的温度传感器大多由片上 - ADC和数字总线接口在CMOS 工艺下实现传感器使用衬底PNP晶体管用于产生温度传感器和ADC 的参考电压通过使用斩波放大器和动态元件匹配使得读出电路获得了高的初始精度，采用二阶曲率校正获得高线性度通过一系列的措施降低或消除各种非理想因素，最后使得传感器的温度偏差主要由PNP晶体管的基极 -发射极电压决定的，并利用片内额外的晶体管测量校准得到环境温度，与传感器的输出相比较整理后得到最终结果相比于传统的测量校准技术，这个方案更迅速、生产成本更低322002年由 MAXIM 公司研制的 MAX6657 型智能温度传感器，输出11 位二进制数据，其分辨力可达，测温精度为1；2005 年菲利普 Michiel A. P. Pertijs 及其团队发表的温度传感技术，其研究成果可以实现 -50到 120时的精度31， 同年将精度提高到最高的32，成为当时精度标准最高的温度传感器；2009年英特尔 Hasnain Lakdawala及其团队发表了体积更小的 32nm、精度的温度传感器33。

这几年来温度传感器的研究仍朝着精度更高、体积更小的发展趋势在前进34精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页5 存在问题CMOS 温度传感器存在的问题主要是由于各个模块的各种非理想因素，引起输出的误差，造成温度传感器精度下降 为了消除这些非理想因素的影响，就需要使用各种各样的方法来解决问题首先， VBE 的曲率也将表现在参考电压VREF 中，反过来也会导致 T的非线性1的最后两项模仿了曲率对于时和与温度成正比的集电极电流，在-50到 120范围中相应的非线性到达2幸运的是，曲率的二阶成分可以很容易地通过给VREF 一个小的正温度系数来消除35，即，在3中略大于带隙基准用适当的值，依赖温度的VREF 引起的二阶非线性刚好消除了 VBE 产生的二阶非线性，只剩下约0.3以内的三阶非线性其次，依赖 VBE电流源的误差主要取决于直接加到VBE上的运放零点偏移量VOS为了到达的温度误差，这个偏移量必须小于10V由于 CMOS 运算放大器的典型偏移在毫伏范围，偏移的消除是必需的电流源和PNP 晶体管间的不匹配也会导致温度误差为使这些误差可以忽略不计，匹配必须优于0.035%，这就需要动态元件匹配。

运算放大器的偏移可以使用斩波技术消除一个普通的斩波放大器， 一双斩波开关加在需要消除偏移 VOS的放大器上36输入处的斩波器调制输入信号到控制信号频率H上，并位于偏移和放大器的拐点频率1/f 以上输出处的斩波器解调被放大的输入信号，同时调制被放大的偏移和1/f 闪烁噪声到频率H上，这样就可通过一个低通滤波器LPF来滤掉33此外，为了校准任何集成温度传感器，它的温度读数都要与同温度下的参考温度计读数相比较，读数之间的差值可以用来修正传感器该校准通常是在晶圆级完成的，它的优点是整个晶片的温度可以稳定地测量，单个传感器可以用晶圆探针进行校准修正但这种方法一个严重的缺陷是， 未考虑到的封装压力带来附加的误差即使传感器使用对压力不敏感的衬底 PNP晶体管时，如果使用低成本的塑料封装也会导致严重的误差基于这样PNP管的带隙基准实验说明 VBE 偏移了 2mV，这意味着温度产生约误差因此，封装后的校准是必要的37最后，由于传感器使用衬底PNP 晶体管的温度测量，其误差还会来源于读出电路的其他非理想因素通过使用动态元件匹配、不依赖PTAT偏置电路的斩波电流增益、结合斩波相关双采样的低偏置二阶 - ADC ，该误差减少到更低的水平。

38精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 8 页6 三、研究展望近年来全球传感器产业取得了飞速发展，随着中国加大对。