溫敏二極管高精度互換修正技術的研究與應用

韓日華

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計，并提出了相關修正方法。實驗表明，采用高精度互換設計的技術架構可以有效解決元件批次和環(huán)境帶來的PN節(jié)電壓浮動問題，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)，具有較好的應用前景和價值。

關鍵詞：溫敏二極管;高精度互換;體溫監(jiān)測

1 ?引言

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工作電壓也不一致，在醫(yī)療設備體溫測溫電路設計中發(fā)現(xiàn)同種材質的溫敏二極管其偏差電壓對測溫精度影響較大，無法進行大批量生產(chǎn)。本文介紹了一種溫敏二極管應用于體溫測溫的高精度互換設計及修正方法，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℃的技術指標要求。

2 PN結測溫原理

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

3電路設計及修正方法

3.1溫敏二極管測溫系統(tǒng)框圖

體溫溫度檢測范圍一般常規(guī)溫度范圍在34.0℃-42.0℃之間，在溫敏二極管信號電路中有效電壓變化范圍為V=8℃*4mV/℃=32mV;A/D采集模塊的基準電壓選用3.3V，因低電壓區(qū)和高電壓區(qū)具有非線性則可取0.15V-3.15V的3V電壓范圍進行采集數(shù)據(jù);則溫敏二極管信號電路可進行放大倍數(shù)A=3000mV/32mV=93.75;A/D采集模塊一般可采用12位AD芯片，對應的采集位數(shù)為4096點，一個數(shù)據(jù)點所對應的溫度分辨率為8℃/4096=0.00195≈0.002℃/數(shù)據(jù)點。通過顯示模塊將采集完成的溫度信號進行顯示數(shù)據(jù)，顯示分辨率可達0.01℃。

3.2溫敏二極管測溫修正方法

通過設置不同的水溫，控制模塊獲得被測溫敏二極管在不同水溫的導通電壓，通過與控制模塊中預設的靈敏度及導通電壓參考值比較，計算出該溫敏二極管應搭配的補償電阻的阻值），并顯示在所述交互模塊上，所述交互模塊上還顯示基準測溫儀監(jiān)測的實時溫度值、溫敏二極管測量溫度、補充電阻值。操作人員根據(jù)校準裝置計算得出的補償電阻的阻值，選擇合適的補償電阻，按校準裝置所示的連接方式連接到檢測座上，再一次對該溫敏二極管進行測試，如測試合格，則該溫敏二極管校準完成，可將補償電阻直接焊接到溫敏二極管上。

4實驗與結果

將恒溫水槽分別設定為34℃、38℃、42℃;恒流源電流設定為1mA電流值;待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，分別記錄34℃、38℃、42℃時溫敏二極管的正向電壓VFV、顯示模塊顯示的溫度值、基準溫度儀讀數(shù)、補償電阻的阻值、靈敏度;實驗數(shù)據(jù)如表1：

將表1計算補充電阻值（四舍五入）與溫敏二極管串聯(lián)焊接，將恒溫水槽分別設定為34℃、38℃、42℃;恒流源電流設定為1mA電流值;待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，分別記錄34℃、38℃、42℃時溫敏二極管的正向電壓VFV、顯示模塊顯示的溫度值、基準溫度儀讀數(shù)、靈敏度;實驗數(shù)據(jù)如表2：

5結論

通過溫敏二極管測溫修正方法在靈敏度和導通電壓出現(xiàn)誤差的溫敏二極管上連接補償電阻，使溫敏二極管的靈敏度和導通電壓回歸誤差允許范圍內(nèi)，從補償后的實驗數(shù)據(jù)可知最大偏差在0.05℃，具有良好的互換性，進行正常的溫度檢測，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。

6參考文獻

[1] 張維新等編. 半導體傳感器 . 天津： 天津大學出版社 ， 1990.

[2] 張聲豪 溫敏二極管的優(yōu)化設計計算 廈門大學學報 （自然科學版 ） ， 2000，39（1）36-39.

[3]曲偉峰 《半導體敏感器件》 1986年 ， 第一期.