温度传感器的历史发展与研究现状

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,简介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，对比了国内外温度传感器设计和研究领域的现状与发展,着重论述了国外先进的CMS模拟集成温度传感器的重要原理。最后,文章对温度传感器的将来发展方向做出了阐明。核心词:温度传感器，IC温度传感器,COS集成温度传感器一、背景简介1.1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。为适应这种状况,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她所需形式的信息输出,以满足信息的传播、解决、存储、显示、记录和控制等规定。1传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有拟定关系的、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。早在近年前，人类就开始为检测温度进行了多种努力,并开始使用温度传感器检测温

2、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。在工业生产自动化流程中，温度测量点一般要占所有测量点的一半左右。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本环节,成为当今世界发达国家普遍注重并大力发展的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术共同构成了现代信息产业的三大支柱。61.2温度传感器的发展历史和重要分类人们研究温度测量的历史已经相称的长远了。公元6，伽利略研制出气体温度计。一百年后,酒精温度计8和水银温度计问世。到了8,德国物理学家赛贝发明了热电偶传感器，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，人们研制出了多种温度传感器。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、N结温度传感器和集成温度传感器。1与之相应，根据波与物质的互相作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。12温度传感器有四种重要类型:热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(T）和I温度传感器。3热电偶传感器有自己的长处和缺陷。热电偶温度传感器的敏捷度与材料的粗细无关,用非常细的材料也可以做成温度传感器。

3、也由于制作热电偶的金属材料具有较好的延展性,这种细微的测温元件有极高的响应速度,可以测量迅速变化的过程。然而热电偶传感器的敏捷度比较低,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。4I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。特别是S工艺实现的智能温度传感芯片具有低成本、低功耗、与原则数字工艺兼容以及芯片面积小等长处,已经取代了双极型工艺。IC温度传感器又涉及模拟输出和数字输出两种类型，最重要的特点之一是将温度传感模块和信号的解决电路同步集成在一种芯片上。5二、国内外研究现状2研究方向及进展.1.1国内研究现状及发展国内改革开放在“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”等某些列政策导向和支持下16，在蓬勃发展的国内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本，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,为增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,基本比较单薄,

4、对温度传感芯片的设计和研究才处在起步阶段,与国际先进技术相比还存在相称大的差距18。为此,有关的公司和部门正朝着更高的目的迈进，做出了一系列积极的尝试和摸索,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,以共同探讨交流中国“热敏电阻及温度传感器”之发展机会，增进行业发展。19在集成数字智能温度传感器领域，国内有关的设计和研究尚处在较基本的阶段。目前市场上流行的同类温度传感器诸如S8B，A716 ,AD4,A741,AD9等F,大多余自国外DLLS、I等大公司。2国内公司不仅有关产品少,并且已申请到的有关专利也比较少，除了厦门大学等高校申请的专利外21，尚有香港应用科技研究院2、苏州纳芯微电子23、北京中电华大电子设计2、上海贝岭25等少数研究机构或公司的专利，虽然其专利名称较大,但技术波及点比较有限。因此,在集成数字温度传感器方面,国内尚有较大的发展空间。62.12国外研究现状及发展国外状况方面,全世界目前大概有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

5、,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DALAS(达拉斯)公司生产的DS1B20温度传感器当仁不让。27D1820是美国DALS半导体公司继D120之后最新推出的一种改善型智能温度传感器。与老式的热敏电阻相比,她可以直接读出被测温度并且可根据实际规定通过简朴的编程实现912位的数字值读书方式。可以分别在3.5s和750m内完毕9位和12位的数字量,并且从S10读出的信息或写入DS18B2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,总线自身也可以向所挂接的DS182供电,而无需额外电源。因而使用DS8B20可是系统构造更趋简朴,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DS120更受欢迎。28对于一般的电子爱好者来说,DS20的优势更是学习单片机技术和开发温度有关的小产品的不二选择。2S1B20的重要特性有:全数字温度转换及输出；先进的单总线数据通信；最高12位辨别率,精度可达土5摄氏度;12位辨别率时的最大工作周期为70毫秒；可选择寄生工作方式;检测温度范畴为55C +125C(6F +57F)；内置EPO

6、M，限温报警功能；64位光刻ROM,内置产品序列号,以便多机挂接;多样封装形式,适应不同硬件系统。3DS1B20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下误差土.C,这与其使用的测温原理有关,DS8B20采用了不同温度系数的振荡器测量振荡周期的措施进行测温,较高的非线性也许导致其精度无法提高。纵观国外温度传感器的研制状况，精度及其她指标最高的，还属于智能型的CMO集成温度传感器。该传感器使用的是双极型晶体管的基极-发射极电压VE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之间出名的指数关系,可以得到如下VBE与绝对温度的关系函数。BE(T)几乎是温度的线性函数，其典型的斜率是-2mV/。如果集电极电流比是常数,两个不同集电极电流IC1和I驱动的晶体管VB的差值BE与绝对温度成正比关系（PT）。在一种带隙基准电压源中,放大的VB加到VBE上产生一种与温度无关的基准电压REF，在背面的AC中可以运用这些量精确的测量出与温度正比的物理量,从而计算得到比较精确的温度值。31国外的智能温度传感芯片多采用9位的A/D转换器,其辨别

7、力可达0.5.065。这些只能的温度传感器大多由片上- AD和数字总线接口在MOS工艺下实现。传感器使用衬底PP晶体管用于产生温度传感器和DC的参照电压。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。通过一系列的措施减少或消除多种非抱负因素，最后使得传感器的温度偏差重要由N晶体管的基极发射极电压决定的,并运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顿后得到最后成果。相比于老式的测量校准技术,这个方案更迅速、生产成本更低。3由MAIM公司研制的6657型智能温度传感器，输出11位二进制数据，其辨别力可达0125，测温精度为1；菲利普Mihil A P. Pejs及其团队刊登的温度传感技术,其研究成果可以实现-0到12时0的精度1,同年将精度提高到最高的0.,成为当时精度原则最高的温度传感器；英特尔HninLaal及其团队刊登了体积更小的2n、精度0.45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迈进。42存在问题CMS温度传感器存在的问题重要是由于各个模块的多种非抱负因素,引起输出的误

8、差,导致温度传感器精度下降。为了消除这些非抱负因素的影响,就需要使用多种各样的措施来解决问题。一方面,V的曲率也将表目前参照电压VRF中,反过来也会导致()的非线性。(1)的最后两项模仿了曲率。对于4.时和与温度成正比的集电极电流,在50到120范畴中相应的非线性达到2。幸运的是,曲率的二阶成分可以很容易地通过给VRF一种小的正温度系数来消除35,即，在(3)中略不小于带隙基准。用合适的值,依赖温度的VEF引起的二阶非线性刚好消除了BE产生的二阶非线性，只剩余约0.3以内的三阶非线性。另一方面,依赖VE电流源的误差重要取决于直接加到V上的运放零点偏移量VOS。为了达到0.的温度误差,这个偏移量必须不不小于1V。由于CMS运算放大器的典型偏移在毫伏范畴,偏移的消除是必需的。电流源和P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视不计,匹配必须优于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。一种一般的斩波放大器，一双斩波开关加在需要消除偏移OS的放大器上3。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

9、解调被放大的输入信号，同步调制被放大的偏移和1/f闪烁噪声到频率H上,这样就可通过一种低通滤波器（F）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照温度计读数相比较,读数之间的差值可以用来修正传感器。该校准一般是在晶圆级完毕的，它的长处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。但这种措施一种严重的缺陷是，未考虑到的封装压力带来附加的误差。虽然传感器使用对压力不敏感的衬底PN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NP管的带隙基准实验表白VB偏移了m,这意味着温度产生约0.5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P晶体管的温度测量,其误差还会来源于读出电路的其她非抱负因素。通过使用动态元件匹配、不依赖TAT偏置电路的斩波电流增益、结合斩波有关双采样的低偏置二阶- ADC,该误差减少到更低的水平。38三、研究展望近年来全球传感器产业获得了飞速发展,随着中国加大对电子新兴产业的投资力度，公众对公共安丘、健康监测、环保等诸多领域的关注加强,可以预测传感器的市场前景将远远超过计算机、互联网、移动通信等。9面对剧烈的市场竞争、科技的迅速发展以及物联网等新兴市场的崛起，国内传感器公司应当把握机遇,着眼于全球市场,以竞争者的姿态去迎接全球市场的挑战，努力发展和规划自有

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