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，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，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、计算机技术共同构成了现代信息产业的三大支柱。[6]1.2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。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。[14]IC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2.1研究方向及进展2.1.1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贡献。[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，3以共同探讨交流中国“热敏电阻及温度传感器”之发展机会，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]2.1.2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。[27]DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。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93.75ms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更受欢迎。[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。[29]DS18B20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0.5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。[30]DS18B20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0.5°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。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ΔVBE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ΔVBE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0.5-0.0625℃。这些只能的温度传感器大多由片上Σ-ΔADC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。[32]2002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0.125℃，测温精度为1℃；2005年菲利普MichielA.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±0.5℃的精度[31]，同年将精度提高到最高的±0.1℃[32]，成为当时精度标准最高的温度传感器；2009年英特尔HasnainLakdawala及其团队发表了体积更小的32nm、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前进。[34]52.2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μ（T）的非线性。（1）的最后两项模仿了曲率。对于η=4.4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达到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，α在（3）中略大于带隙基准。用适当的α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ΔVBE电流源的误差主要取决于直接加到ΔVBE上的运放零点偏移量VOS。为了达到0.1℃的温度误差，这个偏移量必须小于10μV。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ΦH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ΦH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管的带隙基准实验表明VBE偏移了2mV，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Σ-ΔADC，该误差减少到更低的水平。[38]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。[39]面对激烈的市场竞争、科技的快速发展以及物联网等新兴市场的崛起，国内传感器企业应该把握机遇，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品牌，让中国的传感器企业在市场竞争中占有一席之地。[40]随着新技术新工艺的发现，多学科的交叉融合，未来传感器的发展与竞争也将趋于白热化。综合现阶段的技术以及基础知识，