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INCLUDEPICTURE../../../../Local%20Settings/Temp/YPX6@81$YT$%5d%5d%5b5Y725JEL.jpg\*MERGEFORMAT温度传感器的论文温度传感器设计论文简述半导体温度传感器设计 摘要:传感器属于信息技术的前沿尖端产品尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域数量高居各种传感器之首半导体传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的半导体具有很宽的温度反应特性各种半导体的温度反应区段不同 关键词:半导体温度传感器
一、温度传感器原理 温度是一个基本的物理量自然界中的一切过程无不与温度密切相关温度传感器是最早开发应用最广的一类传感器温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器在半导体技术的支持下相继开发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IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型
1、接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触又称温度计温度计通过传导或对流达到热平衡从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度一般测量精度较高在一定的测温范围内温度计也可测量物体内部的温度分布但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等
2、非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触又称非接触式测温仪表这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速瞬变对象的表面温度也可用于测量温度场的温度分布非接触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制因而对最高可测温度原则上没有限制对于1800℃以上的高温主要采用非接触测温方法随着红外技术的发展辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展700℃以下直至常温都已采用且分辨率很高
二、智能温度传感器发展的新趋势 进入21世纪后智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展
1、提高测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器采用的是8位A/D转换器其测温精度较低分辨力只能达到1℃目前国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器所用的是9~12位A/D转换器分辨力一般可达
0.5~
0.0625℃
2、增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式有的还增加了低温极限扩展模式操作非常简便对某些智能温度传感器而言主机外部微处理器或单片机还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率分辨力及最大转换时间智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的
3、可靠性及安全性设计传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术其噪声容限低抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差新型智能温度传感器普遍采用了高性能的Σ-Δ式A/D转换器它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术来提高有效分辨力Σ-Δ式A/D转换器不仅能滤除量化噪声而且对外围元件的精度要求低
三、半导体温度传感器测温原理及其关键技术 硅基IC电路中可实现温度传感功能的元器件主要有集成电阻器、二极管、双极晶体管、MOS晶体管当然还有各种利用MEMS工艺制造的热敏电阻器、热电偶等但目前基本上还与CMOS工艺不兼容
1、双极晶体管温度传感器 二极管的电流包括扩散电流和耗尽层、表面层里的产生复合电流后者在双极晶体管的基极互相抵消所以正向偏置的双极晶体管的集电极电流IC基本上都是纯扩散电流若利用高精度电流源令2个匹配晶体管的集电极电流相同ΔVBE将和绝对温度成正比但这样得到的温度电压曲线起点是绝对零度对于-50~150℃的测温范围电压输出不是0~5V对于后端A/D来说需要额外的电平移动电路通过构造Vf=aVptat-VBE1和Vref=VBE1+aVptat可以得到任意的过零点TZ以及几乎不随温度变化的恒压源采用BJT的优点是低成本、长期稳定性、高灵敏度、可预测性较高以及相关温度的时间非依赖性缺点是受自生成熟、工艺容差的影响以及热循环后信号有小漂移和小数量级的非线性为了工艺兼容需要采用寄生三极管技术实现主要有2种结构:纵向双极晶体管横向双极晶体管
2、CMOS温度传感器 利用CMOS构建温度传感器一般有2种途径其一是利用MOS管的亚阈值区构造MOS管的PTAT灵敏度可达
1.32mV/℃但对偏置源的依赖有100mV/V且高温下会产生漏电因对阈值电压VT依赖大在高性能要求时必须有大范围的微调和校准不具备长期稳定性;另一途径是通过强反型状态下MOS管的载流子迁移率μ与VT和温度的关系加以测量基于此有5种设计方案:即只基于μ随温度的改变;只基于VT随温度的改变;同时考虑VT和μ2个变量;利用MOS器件的零温度系数点以及利用逻辑门延时随温度增加的原理来构建的数字环振CMOS温度传感器和基于寄生BJT的温度传感器相比的主要优势在于模型精确受封装影响小在AC电源下衬底漏电小且占用芯片面积小等优势但其主要的缺点是受工艺波动的影响要大于后者所以产业界目前仍普遍采用CVBT技术
3、半导体温度传感器 输出方式采用模拟输出的温度传感器需要外加线性化电路及校准因此会使成本增加而数字化接口或频率输出能使性能更可靠即使在量产时仍能保持其精确度频率输出通常采用的方法是做一个环形振荡器或张驰振荡器前者会受VDD变化的影响而后者理论上与VDD无关两者都基于相同的原理通过对电容器的充放电产生振荡充放电电流来源于某个温度敏感元件为了数字接口输出有通过片上计数器实现其主要缺点是面积大;另一种方案是采用片上集成A/D然后通过I2C等总线协议输出 结论 温度传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势该领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高随着新一代温度传感器的开发和产业化竞争也将变得日益激烈 参考文献 缪家鼎徐文娟牟同升.光电技术.杭州:浙江大学出版社 张英王海容蒋庄德.半导体吸收式光纤温度传感器的研究.压电与声光 SzekelyV.MartaC.KohariZCMOSsensorsforon-linethermalmonitoringofVLSIcircuits。