精準的矽晶溫度感測——顯示測量精度為±0.1°C

作者:ADI現場應用工程師 Simon Bramble


摘要

本文檢驗最新一代矽晶溫度感測器的準確性。這些感測器提供數位輸出,無需線性化,支援小封裝尺寸和低功耗。其中許多具備警報功能,以提醒系統存在潛在故障。

簡介

電子產業對精度的要求越來越高,溫度感測也不例外。目前市面上具有許多溫度感測解決方案,每一種都有其優缺點。矽晶溫度感測器,線性度相對較高,而且精度遠超其他解決方案。但是,矽晶溫度感測領域的最新進展意味著,使用矽晶解決方案將可以實現高解析度和高精度。

新冰箱

那時正是2020年3月,英國即將進入封鎖狀態。全球都在囤積食物,以防止超市關門,而未來似乎充滿不確定。就在這種時候,Bramble家的冰箱罷工了。滿腦子都迴響著Kenny Rogers單曲「Lucille」中的歌詞「你怎麼選擇在這樣一個時刻離開我」,我們開始在網路上搜索新的替代品。 幾天後,新的冰箱送來了,面板上有數位溫度顯示,完全符合Bramble太太的需求。建議的設定溫度為-18℃,一個小時後,冰箱達到了所需的溫度,可以開始存放食物了。我有點懷疑溫度讀數的準確性,但只要能夠冷凍食物,我對此也不太在意。但問題是:我是一名工程師,有一顆熱衷探索的心,在連續幾天面對新冰箱毫無變化的數位讀數後,我崩潰了。我必須測試一下這台新電器的精度。

溫度感測器

工業應用中使用的溫度感測器種類繁多,各有其優缺點。有鑑於文獻均對各種溫度感測器的操作有詳盡的介紹,在此我就不再贅述,只是提供一些總結。


熱電耦


熱電耦 熱電耦提供了一種低成本、中等精度的高溫測量方案。正如Thomas Seebeck在1821年發現的,它們基於兩個接點之間產生的電壓,每個接點都由不同的金屬構成,放置於不同溫度環境下。對於K型熱電耦(由鎳鉻合金和鎳鋁金合金製成)來說,它輸出約41 μV/°C的電壓,可用於測量超過1000°C的溫度。但是,塞貝克效應依賴於兩個接點之間的溫度差,因此,在熱端測量相關溫度時,冷端必須持續測量已知的溫度。諷刺的是,在冷端需要另一個溫度感測器來測量溫度, AD8494 這樣的元件正好能夠完全解決這個問題。熱電耦本身的體積很小,所以熱質很低,能夠快速回應溫度變化。


RTDs


業界廣泛使用電阻溫度檢測器(RTD)來測量中溫(<500°C)。這些元件由一種電阻會隨溫度的變化呈正變化的金屬元素組成,最常見的是鉑(Pt)。事實上,PT100感測器是業界使用廣泛的RTD,因使用材料鉑製成,且在0°C時電阻為100 Ω而得名。雖然這些元件無法測量熱電耦那樣的高溫,但它們具有高線性度,且重複性較好。PT100需要精確的驅動電流,從而在感測器上產生一個與溫度成比例的準確的壓降。PT100連接線的電阻導致感測器的電阻測量出現誤差,所以開爾文連接是典型的感測器使用方法,因此出現3線或4線感測器。


熱敏電阻


如果需要低成本的解決方案,且溫度範圍較低,那麼使用熱敏電阻通常就足夠了。這些元件線性化程度很低,具有Steinhart-hart方程式的特徵,電阻隨溫度升高而減小。熱敏電阻的優點是,電阻會在小幅溫度變化下呈現大幅變化,所以,儘管它具有非線性,但仍然可以達到很高的精度。熱敏電阻還提供快速的熱回應。單一熱敏電阻的非線性是明確定義的,所以可以使用 LTC2986這類的元件來進行校準。


二極體隨處可見,但(Vbe)壓降至吸電流並非如此...


為了測試這個新家電的準確性,最終我選擇使用矽晶溫度感測器。它們到手即用,無需冷端溫度補償或線性化,可以提供類比和數位輸出,且預先經過校準。但是,直到最近,它們都只能提供中等準確性。雖然足以顯示電子設備的健康狀態,但它們一直不夠精準,無法測量(例如)體溫,體溫測量通常需要達到±0.1°C的精度(根據ASTM E1112標準)。但是最近發表的ADT7422 和ADT7320 矽晶溫度感測器改變了這一狀況,它們的測量解析度分別為±0.1℃和±0.2℃。

矽晶溫度感測器利用電晶體的Vbe的溫度依賴性,根據莫爾方程式,約為:

equation1

其中Ic為集電極電流,Is為電晶體的反向飽和電流,q為電子上的電荷(1.602 × 10–19庫侖),k為玻爾茲曼常數(1.38 × 10–23),T為絕對溫度。

方程式1中集電極電流的運算式也適用於二極體中的電流,那麼為什麼每個應用電路都使用電晶體而不是二極體呢?事實上,二極體中的電流還包括電子通過pn結的耗盡區與空穴重新結合所產生的複合電流,這說明二極體電流與Vbe和溫度具有非線性關係。這種電流也出現在雙極電晶體中,但流入電晶體的基極,不會出現在集電極電流中,因此非線性程度要低得多。 整合上述因素可以得出

整合上述因素可以得出

equation2

與Ic相比,Is很小,所以我們可以忽略方程式2中的1項。我們現在可以看到,Vbe據Ic中的對數變化呈線性變化。我們也可以看到,如果Ic和Is是常數,那麼Vbe隨溫度呈線性變化,因為k和q也是常數。在電晶體中施加恒定的集電極電流,並測量Vbe如何隨溫度變化,這項任務很簡單。

Is與電晶體的幾何形狀有關,並且對溫度有很強的依賴性。和許多矽晶元件一樣,溫度每上升10°C,其值就會翻倍。雖然ln函數降低了電流變化的影響,但仍然存在Vbe的絕對值隨電晶體的變化而變化的問題,因此需要校準。所以,實際的矽晶溫度感測器使用兩個完全相同的電晶體,迫使1 Ic集電極電流進入一個電晶體,10 Ic進入另一個。我們能在積體電路中輕鬆產生完全相同的電晶體和精準的比率電流,所以大多數矽晶感測器都使用這種結構。電流的對數變化會引起Vbe出現線性變化,然後測量Vbe的差值。

由方程式2可知,對於溫度相同的兩個電晶體,其Vbe的差值為

equation3

這是因為

equation4

我們可以看出

equation5

透過使不同的電流通過每個電晶體並測量Vbe的差值,我們消除了非線性Is項、不同的Vbe的影響,以及與電晶體的幾何形狀相關的所有其他非線性效應。因為k、q和ln10都是常數,所以Vbe的變化與絕對溫度(PTAT)成正比。當電流差為10倍時,兩個Vbe的電流差在大約198 μV/°C時隨溫度呈線性變化。參見圖1查看實現這一個效果的簡單電路。

A basic circuit for measuring temperature

圖1.測量溫度的基本電路。

必須慎重選擇圖1中的電流。如果電流過高,在電晶體的整個內部電阻範圍內,會出現很高的自發熱和壓降,從而影響測量結果。如果電流過低,電晶體內部的漏電流會增大誤差。

還應注意的是,前面的方程式都與電晶體的集電極電流有關,而在圖1中,電晶體中注入的是恒定的發射極電流。在設計電晶體時,可以明確確定集電極和發射極電流之間的比例(且接近整數),這樣集電極電流與發射極電流成比例。

這還只是開始。要使矽晶溫度感測器達到±0.1°C的精度,還需要大量的表徵和微調。

是一隻鳥?還是一架飛機?

不,這是一個超級溫度計。是的,它們確實存在。需要將未校準的矽晶溫度感測器放入裝滿矽油的浴缸中,準確加熱到所需的溫度,然後使用超級溫度計進行測量。這些元件的測量精度可以精確到超過小數點後五位。將感測器內部的保險絲熔斷,以調整溫度感測器的增益,從而利用方程式 y = mx + c將其輸出線性化。矽油提供非常均勻的溫度,因此可以在一個週期內校準許多元件。

ADT7422在25℃至50℃溫度範圍內的精度為±0.1℃。這個溫度範圍以典型的38℃體溫為中心,使得ADT7422非常適合用於精準監測生命體徵。在工業應用中使用時,我們對ADT7320進行了調整,使其精度達到±0.2℃,但溫度範圍擴大到-10℃到+85℃。

The ADT7422 mounted on a 0.8 mm thick PCB

圖2.安裝在0.8 mm厚的PCB上的ADT7422。

但是,矽晶溫度感測器的校準並不是唯一的問題。採用極其精確的基準電壓時,晶片上的壓力會破壞感測器的精度,以及PCB的熱膨脹、引線框架、模塑和外露焊墊,所有這些都需要考慮。焊接製程本身也有問題。焊料回流製程會使零件的溫度提高到260℃,導致塑膠封裝軟化,晶片的引線框架變形,這樣當零件冷卻,塑膠變硬時,機械應力會被封存在晶片中。ADI的工程師花了數個月的時間進行細緻的實驗,最終發現0.8 mm的PCB厚度最為合適,即使在焊接之後,也可以達到±0.1℃的精度。

那麼香腸的溫度到底有多低?

我將ADT7320連接到一個微控制器和一個LCD顯示器上,並編寫了幾百行C語言代碼來初始化感測器和存取資料——可以透過在DIN接腳上連續寫入32個1s來輕鬆初始化這個部分。配置寄存器被設定為使ADT7320以16位元精度連續轉換。從ADT7320上讀取資料之後,至少需要等待240 ms的延遲之後,才會發生下一次轉換。為了便於使用非常低端的微控制器,所以我手動編寫了SPI。我將ADT7320放在冰箱裡大約30分鐘,以獲取新冰箱的準確溫度。圖3顯示冰箱的溫度為–18.83°C。

The temperature of the freezer at –18.83°C

圖3.冰箱的溫度為–18.83°C。

這種精度給我留下了非常深刻的印象,雖然儲存食品並不需要達到這種溫度精度等級。然後,在英國夏季的某一天,我測量了辦公室內的溫度。如圖4所示,溫度為22.87°C。

The temperature of my office at 22.87°C

圖4.辦公室的溫度為22.87°C。

結論

矽晶溫度感測器已發展多時,並已變得非常精準,而能實現非常高的生命體徵監測精度。雖然它們內部的技術都是基於成熟的原理,但要使它們達到亞度精度水準,還是需要付出巨大的努力。即使達到了這種精度水準,機械應力和焊接也很容易抹滅數小時校準所取得的成果。

ADT7320和ADT7422代表了多年來達到亞度級精度溫度表徵的技術頂峰,即使是在焊接到PCB上之後。

參考資料

Horowitz, Paul and Winfield Hill。 電子的藝術。劍橋大學出版社,2015年4月。

Huijsing, Johan and Michiel Pertijis。 採用CMOS技術的精密溫度感測器。Springer,2006年。

類比電路設計,第2卷,第32章。凌力爾特,2012年12月。

AD590 數據手冊。ADI,2013年1月。

ADT5912 資料手冊(即將發表)。ADI