簡述半導(dǎo)體溫度傳感器設(shè)計

摘要:傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。半導(dǎo)體傳感器是利用某些半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性制成的。半導(dǎo)體具有很寬的溫度反應(yīng)特性，各種半導(dǎo)體的溫度反應(yīng)區(qū)段不同。

關(guān)鍵詞:半導(dǎo)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(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)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(dǎo)體技術(shù)的支持下，相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)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(shù)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(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)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(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)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(yùn)動物體、小目標(biāo)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(yōu)點(diǎn):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(shù)的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴(kuò)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(fā)展的新趨勢

進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。

1、提高測溫精度和分辨力 在20世紀(jì)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(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達(dá)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(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)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(qiáng)。智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)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(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率，分辨力及最大轉(zhuǎn)換時間。 智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。

3、可靠性及安全性設(shè)計 傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來提高有效分辨力。Σ-Δ式A/D轉(zhuǎn)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(dǎo)體溫度傳感器測溫原理及其關(guān)鍵技術(shù)

硅基IC電路中，可實現(xiàn)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(dāng)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(kuò)散電流和耗盡層、表面層里的產(chǎn)生復(fù)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(kuò)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(diǎn)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(gòu)造Vf=aVptat-VBE1和Vref=VBE1+aVptat可以得到任意的過零點(diǎn)TZ以及幾乎不隨溫度變化的恒壓源。采用BJT的優(yōu)點(diǎn)是低成本、長期穩(wěn)定性、高靈敏度、可預(yù)測性較高，以及相關(guān)溫度的時間非依賴性。缺點(diǎn)是受自生成熟、工藝容差的影響，以及熱循環(huán)后信號有小漂移和小數(shù)量級的非線性。為了工藝兼容，需要采用寄生三極管技術(shù)實現(xiàn)，主要有2種結(jié)構(gòu):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(gòu)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(qū)構(gòu)造MOS管的PTAT，靈敏度可達(dá)1.32mV/℃，但對偏置源的依賴有100mV/V，且高溫下會產(chǎn)生漏電，因?qū)﹂撝惦妷篤T依賴大，在高性能要求時，必須有大范圍的微調(diào)和校準(zhǔn)，不具備長期穩(wěn)定性;另一途徑是通過強(qiáng)反型狀態(tài)下，MOS管的載流子遷移率μ與VT和溫度的關(guān)系加以測量?；诖擞?種設(shè)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(shù)點(diǎn)，以及利用邏輯門延時隨溫度增加的原理來構(gòu)建的數(shù)字環(huán)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(yōu)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(yōu)勢，但其主要的缺點(diǎn)是受工藝波動的影響要大于后者，所以，產(chǎn)業(yè)界目前仍普遍采用CVBT技術(shù)。

3、半導(dǎo)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(zhǔn)，因此，會使成本增加。而數(shù)字化接口或頻率輸出能使性能更可靠，即使在量產(chǎn)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(huán)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(guān)。兩者都基于相同的原理，通過對電容器的充放電產(chǎn)生振蕩，充放電電流來源于某個溫度敏感元件。為了數(shù)字接口輸出，有通過片上計數(shù)器實現(xiàn)，其主要缺點(diǎn)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(xié)議輸出。

結(jié)論

溫度傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。該領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，隨著新一代溫度傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將變得日益激烈。

參考文獻(xiàn)

繆家鼎， 徐文娟， 牟同升. 光電技術(shù). 杭州: 浙江大學(xué)出版社

張英，王海容， 蔣莊德. 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的研究. 壓電與聲光，

Szekely V.Marta C.Kohari Z CMOS sensors for on-line thermal monitoring of VLSI circuits