1、溫度傳感器的歷史發展與研究現狀摘 要：本文通過查閱各類文獻并進行分析總結，簡述了溫度傳感器的意義和作用，介紹了溫度傳感器的發展歷史，列舉并分析了常用溫度傳感器的類型，對比了國內外溫度傳感器設計和研究領域的現狀與發展，著重闡述了國外先進的cmos模擬集成溫度傳感器的主要原理。最后，文章對溫度傳感器的未來發展方向做出了說明。關鍵詞：溫度傳感器，ic溫度傳感器，cmos集成溫度傳感器一、背景介紹1.1緒言人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官，而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中，它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的

2、信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。1傳感器是以一定的精度和規律把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。它是實現自動測量和自動控制的首要環節。2溫度是反映物體冷熱狀態的物理參數，它與人類生活環境有著密切關系。早在2000多年前，人類就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度。3在人類社會中，無論工業、農業、商業、科研、國防、醫學及環保等部門都與溫度有著密切的關系。4在工業生產自動化流程中，溫度測量點一般要占全部測量點的一半左右。5因此，人類離不開溫度傳感器

3、。傳感器技術因而成為許多應用技術的基礎環節，成為當今世界發達國家普遍重視并大力發展的高新技術之一，它與通信技術、計算機技術共同構成了現代信息產業的三大支柱。61.2溫度傳感器的發展歷史和主要分類人們研究溫度測量的歷史已經相當的久遠了。公元1600年，伽利略研制出氣體溫度計。7一百年后，酒精溫度計8和水銀溫度計9問世。到了1821年，德國物理學家賽貝發明了熱電偶傳感器10，人類真正的第一次把溫度變成了電信號。此后，隨著技術的發展，人們研制出了各種溫度傳感器。本世紀，在半導體技術的支持下，相繼誕生了半導體熱電偶傳感器、pn結溫度傳感器和集成溫度傳感器。11與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼

4、開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。12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。13熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷。熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。然而熱電偶傳感器的靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。14ic溫度傳感器即數字集成溫度傳感器，其外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了

5、無數的便利和功能。尤其是cmos工藝實現的智能溫度傳感芯片具有低成本、低功耗、與標準數字工藝兼容以及芯片面積小等優點，已經取代了雙極型工藝。ic溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型，最主要的特點之一是將溫度傳感模塊和信號的處理電路同時集成在一個芯片上。15二、國內外研究現狀2.1研究方向及進展2.1.1國內研究現狀及發展我國改革開放在“發展高科技，實現產業化”、“大力加強傳感器的開發和在國民經濟中的普遍應用”等一些列政策導向和支持下16，在蓬勃發展的我國電子信息產業市場的推動下，傳感器已形成了一定的產業基礎，并在技術創新、自主研發、成果轉化和競爭能力等方面有了長足進展，為促進國民經濟的發

6、展做出了重要貢獻。17但由于國內的半導體產業起步較晚，基礎比較薄弱，對溫度傳感芯片的設計和研究才處于起步階段，與國際先進技術相比還存在相當大的差距18。為此，相關的企業和部門正朝著更高的目標前進，做出了一系列積極的嘗試和探索，例如由中國電子器材總公司主辦的、由中國電子元件行業協會等公司共同攜手組織的“中國熱敏電阻及溫度傳感器展覽會”，該展覽會是中國最大的熱敏電阻及溫度傳感器展，以共同探討交流中國“熱敏電阻及溫度傳感器”之發展機會，促進行業發展。19在集成數字智能溫度傳感器領域，國內相關的設計和研究尚處于較基礎的階段。目前市場上流行的同類溫度傳感器諸如ds18b20，ad7416 ，ad7417

7、，ad7418，ad590等f，大多出自國外dallas、adi等大公司。20國內公司不僅相關產品少，而且已申請到的相關專利也比較少，除了廈門大學等高校申請的專利外21，還有香港應用科技研究院22、蘇州納芯微電子23、北京中電華大電子設計24、上海貝嶺25等少數研究機構或企業的專利，雖然其專利名稱較大，但技術涉及點比較有限。因此，在集成數字溫度傳感器方面，我國尚有較大的發展空間。262.1.2國外研究現狀及發展國外情況方面，全世界現在大概有50個國家從事傳感器的研制生產工作，研發、生產單位數千余家。在市場上，溫度傳感器的種類眾多，在應用與高精度、高可靠性的場合時dallas(達拉斯)公司生產的

8、ds18b20溫度傳感器當仁不讓。27ds18b20是美國dallas半導體公司繼ds1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9-12位的數字值讀書方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量，并且從ds18b20讀出的信息或寫入ds18b20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的ds18b20供電，而無需額外電源。因而使用ds18b20可是系統結構更趨簡單，可靠性更高，而其超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能

9、強，使得ds18b20更受歡迎。28對于普通的電子愛好者來說，ds18b20的優勢更是學習單片機技術和開發溫度相關的小產品的不二選擇。29ds18b20的主要特征有：全數字溫度轉換及輸出；先進的單總線數據通信；最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度；12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒；可選擇寄生工作方式；檢測溫度范圍為55°c +125°c (67°f +257°f)；內置eeprom，限溫報警功能；64位光刻rom，內置產品序列號，方便多機掛接；多樣封裝形式，適應不同硬件系統。30ds18b20以其較高的綜合性能獲得了較高的市場率，但其精度僅能

10、實現-10°c+85°c下誤差土0.5°c，這與其使用的測溫原理有關，ds18b20采用了不同溫度系數的振蕩器測量振蕩周期的方法進行測溫，較高的非線性可能導致其精度無法提升。縱觀國外溫度傳感器的研制情況，精度及其他指標最高的，還屬于智能型的cmos集成溫度傳感器。該傳感器使用的是雙極型晶體管的基極-發射極電壓vbe作為測溫信號，通過直流低頻信號直接測量出溫度的變化。從集電極電流ic和基極-發射極電壓vbe之間著名的指數關系，可以得到以下vbe與絕對溫度t的關系函數。vbe(t)幾乎是溫度的線性函數，其典型的斜率是-2mv/k。如果集電極電流比是常數，兩個不同集電極

11、電流ic1和ic2驅動的晶體管vbe的差值vbe與絕對溫度成正比關系（ptat）。在一個帶隙基準電壓源中，放大的vbe加到vbe上產生一個與溫度無關的基準電壓vref，在后面的adc中可以利用這些量準確的測量出與溫度正比的物理量，從而計算得到比較準確的溫度值。31國外的智能溫度傳感芯片多采用9-12位的a/d轉換器，其分辨力可達0.5-0.0625。這些只能的溫度傳感器大多由片上- adc和數字總線接口在 cmos工藝下實現。傳感器使用襯底pnp晶體管用于產生溫度傳感器和adc的參考電壓。通過使用斬波放大器和動態元件匹配使得讀出電路獲得了高的初始精度，采用二階曲率校正獲得高線性度。通過一系列的

12、措施降低或消除各種非理想因素，最后使得傳感器的溫度偏差主要由pnp晶體管的基極-發射極電壓決定的，并利用片內額外的晶體管測量校準得到環境溫度，與傳感器的輸出相比較整理后得到最終結果。相比于傳統的測量校準技術，這個方案更迅速、生產成本更低。322002年由maxim公司研制的max6657型智能溫度傳感器，輸出11位二進制數據，其分辨力可達0.125，測溫精度為1；2005年菲利普michiel a. p. pertijs及其團隊發表的溫度傳感技術，其研究成果可以實現-50到120時±0.5的精度31，同年將精度提高到最高的±0.132，成為當時精度標準最高的溫度傳感器；20

13、09年英特爾hasnain lakdawala及其團隊發表了體積更小的32nm、精度0.45的溫度傳感器33。這幾年來溫度傳感器的研究仍朝著精度更高、體積更小的發展趨勢在前進。342.2存在問題cmos溫度傳感器存在的問題主要是由于各個模塊的各種非理想因素，引起輸出的誤差，造成溫度傳感器精度下降。為了消除這些非理想因素的影響，就需要使用各種各樣的方法來解決問題。首先，vbe的曲率也將表現在參考電壓vref中，反過來也會導致（t）的非線性。（1）的最后兩項模仿了曲率。對于=4.4時和與溫度成正比的集電極電流，在-50到120范圍中相應的非線性達到2。幸運的是，曲率的二階成分可以很容易地通過給vr

14、ef一個小的正溫度系數來消除35，即，在（3）中略大于帶隙基準。用適當的值，依賴溫度的vref引起的二階非線性剛好消除了vbe產生的二階非線性，只剩下約0.3以內的三階非線性。其次，依賴vbe電流源的誤差主要取決于直接加到vbe上的運放零點偏移量vos。為了達到0.1的溫度誤差，這個偏移量必須小于10v。由于cmos運算放大器的典型偏移在毫伏范圍，偏移的消除是必需的。電流源和pnp晶體管間的不匹配也會導致溫度誤差。為使這些誤差可以忽略不計，匹配必須優于0.035%，這就需要動態元件匹配。運算放大器的偏移可以使用斬波技術消除。一個普通的斬波放大器，一雙斬波開關加在需要消除偏移vos的放大器上36

15、。輸入處的斬波器調制輸入信號到控制信號頻率h上，并位于偏移和放大器的拐點頻率1/f以上。輸出處的斬波器解調被放大的輸入信號，同時調制被放大的偏移和1/f閃爍噪聲到頻率h上，這樣就可通過一個低通濾波器（lpf）來濾掉。33此外，為了校準任何集成溫度傳感器，它的溫度讀數都要與同溫度下的參考溫度計讀數相比較，讀數之間的差值可以用來修正傳感器。該校準通常是在晶圓級完成的，它的優點是整個晶片的溫度可以穩定地測量，單個傳感器可以用晶圓探針進行校準修正。但這種方法一個嚴重的缺陷是，未考慮到的封裝壓力帶來附加的誤差。即使傳感器使用對壓力不敏感的襯底pnp晶體管時，如果使用低成本的塑料封裝也會導致嚴重的誤差?；?/p>

16、于這樣pnp管的帶隙基準實驗表明vbe偏移了2mv，這意味著溫度產生約0.5誤差。因此，封裝后的校準是必要的。37最后，由于傳感器使用襯底pnp晶體管的溫度測量，其誤差還會來源于讀出電路的其他非理想因素。通過使用動態元件匹配、不依賴ptat偏置電路的斬波電流增益、結合斬波相關雙采樣的低偏置二階- adc，該誤差減少到更低的水平。38三、研究展望近年來全球傳感器產業取得了飛速發展，隨著中國加大對電子新興產業的投資力度，公眾對公共安丘、健康監測、環保等諸多領域的關注加強，可以預測傳感器的市場前景將遠遠超過計算機、互聯網、移動通信等。39面對激烈的市場競爭、科技的快速發展以及物聯網等新興市場的崛起，

17、國內傳感器企業應該把握機遇，著眼于全球市場，以競爭者的姿態去迎接全球市場的挑戰，努力發展和規劃自有品牌，讓中國的傳感器企業在市場競爭中占有一席之地。40隨著新技術新工藝的發現，多學科的交叉融合，未來傳感器的發展與競爭也將趨于白熱化。綜合現階段的技術以及基礎知識，我們可以展望未來的溫度傳感器的主要發展方向為：41（1）提高測溫精度和分辨力（2）增加測試功能（3）總線技術的標準化與規范化（4）可靠性及安全性設計（5）虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器（6）單片測溫系統參考文獻1張萍. cmos集成溫度傳感器的研究與設計d. : 西安電子科技大學,2009.2賈亞科. 模擬cmos溫度傳感器的設計d.

18、: 西安電子科技大學,2011.3陳錫光. 中國古代的測溫技術和有關熱學理論世界上第一支溫度計是伽利略發明的嗎?j. 南京大學學報(自然科學版),1988,(4).4劉智勇. 傳感器產業發展現狀及前景分析j. 黑龍江科技信息,2013,(24).5王召光 我國傳感器產業的技術和應用趨勢j. 電子技術與軟件工程,2014,(4).6郭凱. 我國溫度傳感器市場迎來快速增長n. 中國電子報,2010-11-09(007).7馬凈,李曉光,寧偉. 幾種常用溫度傳感器的原理及發展j. 中國儀器儀表,2004,(6).8林抒,龔鎮雄 編.普通物理實驗m. 人民教育出版社, 19819董亮. 水銀溫度計標準

19、裝置j. 中國計量,2012,(5).10夏敖敖,談增師. 熱電偶傳感器的教學探討j. 常州信息職業技術學院學報,2006,(1).11胡玲. 光纖溫度傳感器的研究與發展j. 科協論壇(下半月),2010,(5).12于成民. 溫度傳感器的發展與應用j. 儀表工業,1985,(4).13黃澤銑. 溫度傳感器的近期發展j. 儀表材料,1987,(5).14嚴蕓. 淺談溫度傳感器的現狀與發展j. 大眾科技,2006,(5).15曹新亮,余寧梅,衛秦嘯. 集成cmos溫度傳感器設計、實現和測試j. 傳感技術學報,2010,(1).162020年我國傳感器產業規模將達到600億元j. 電源世界,201

20、3,(7).17徐開先,徐秋玲,劉沁. 傳感器產業現狀和產業結構思考j. 儀表技術與傳感器,2013,(9).18全球溫度傳感器市場展望j. 國內外機電一體化技術,2001,(5).19中國電子元件行業協會敏感元器件與傳感器分會物聯網與傳感器產業高峰論壇暨2012年年會會議邀請函j. 傳感器與微系統,2012,(6).20沙占友. 智能溫度傳感器的發展趨勢j. 電子技術應用,2002,(5).21林凡,吳孫桃,郭東輝. 一種非線性校正的cmos集成溫度傳感器z. cn2856954: 廈門大學,2007.22王俊輝,潘良齡,陳錦鴻,鄺國權. cmos溫度傳感器z. cn102778304a:

21、香港應用科技研究院有限公司,2012.23盛云,王升楊,王一峰. 一種cmos溫度傳感器z. cn103837253a: 蘇州納芯微電子有限公司,2014.24孫泳. 一種cmos集成溫度傳感器電路z. cn103645770a: 北京中電華大電子設計有限責任公司,2014.25李鵬,張亮,張輝,陳寧. 感溫電路及集成cmos溫度傳感器z. cn203287119u: 上海貝嶺股份有限公司,2013.26陸廣振. 溫度傳感器市場前景可觀j. 儀器制造,1983,(3).27劉忠玉. 國外溫度傳感器發展現狀和市場預測j. 傳感器技術,1989,(5).28阮海蓉. ds18b20在實時控制系統中

22、的應用j. 制造業自動化,2012,(5).29李偉春. ds18b20的參數分析及實用系統設計實例j. 公安海警高等?？茖W校學報,2005,(1).30 ds18b20 datasheet. 31m. a. p. pertijs, a. niederkorn, x. ma, b. mckillop, a. bakker, and j.h. huijsing, “a cmos smart temperature sensor with a 3 inaccuracy of 0.5 from-50 to 120,” ieee j. solid-state circuits, vol.40, no.

23、 2, pp. 454461, feb. 2005.32m. a. p. pertijs et al., “a cmos smart temperature sensor with a 3 inaccuracy of 0.1 from -55 to 125 ,” ieee j. solid-state circuits, vol. 40, pp. 28052815, 12, dec. 2005.33hasnain lakdawala, y. william li, arijit raychowdhury, greg taylor, and krishnamurthy soumyanath, “

24、a 1.05 v 1.6 mw, 0.45 c 3 resolution i:ß based temperature sensor with parasitic resistance compensation in 32 nm digital cmos process,” ieee j. solid-state circuits, vol.44, no. 12, pp. 3621-3630, dec. 2009.34r.a. bianchi,f.vinci dos santos,j.m. karam,b. courtois,f. pressecq,s. sifflet. “cmos-compatible smart temperature sensors”j. microelectronics journal,1998,299:.35 e. saneyoshi et al., “a 1.1 v 35m × 35m thermal sensor with supply voltage sensitivity of