温度传感器

温度传感器是通过被感知对象的温度变化而相应改变其某种特性或参量的敏感元件。^[4]其作用是把监测对象的冷热程度转化为电信号进行输出，具有结构简单、性能稳定、精度高和大范围测量等优点。^[5][6]

温度传感器的发展大致经历了传统的分立式温度传感器(含敏感元件)、模拟集成温度传感器/控制器、智能温度传感器三个阶段。目前，国际上新型温度传感器正由模拟式向数字式，由集成化向智能化、网络化的方向发展。^[1]温度传感器主要由温度感知模块与主体处理模块构成，对于温度感知模块，主要由与绝对温度变化成正比的感温器件构成。温度传感器的感温模块主要作用为感知环境温度，并且将温度信号进行转换，用电压或电流等信号表示出温度的大小。^[2]

温度传感器在温控系统的发展中起着至关重要的作用，是最早开发，在各类传感器中应用最为广泛的一种。^[5]目前温度传感器主要应用于生活、工业、医疗、环境、气候和科学研究等领域，种类数量高居各种传感器之首。^[7][8][1]

温度传感器大体经历了三个阶段的发展：传统分立式温度传感器、模拟集成温度传感器和数字化智能温度传感器。^[9]

从广义上来看，温度计也是一种温度传感器。伽利略在1600年就研究出了气体温度计，又经过一个世纪的发展，相继出现了酒精温度计及水银温度计。人类历史上第一次将温度转化为电信号是18世纪从物理学家塞贝发明出热电偶传感器开始的。在此之后，相继出现了电阻温度探测器(RTD)和热敏电阻器。^[2][5]

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小，价格低、响应速度快、传输距离远、体积小和微功耗等，适合远距离测温控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在全球应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17，LM135等。^[1]第一款完全集成的温度传感器是NS公司于1995年生产的LM75，此温度传感器已经成为了业界标准。因为其不仅可以集成到芯片内部，作为过温保护电路检测芯片内部温度，也可以单独作为一块芯片检测环境温度。因为新奇多样的用途和功能，使得集成温度传感器的研究受到众多集成电路研发人员的青睐。如今，集成温度传感器在汽车电子，医疗设备，消费类电子上有着广泛的应用。^[10][11]

智能温度传感器也称为智能温度控制器，是在20世纪90年代中期问世的，是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。^[12]从20世纪90年代末开始，以美国为首的欧美国家已经开始致力研究无线温度传感器，这一时期的传感器多应用于军事领域。21世纪以来，欧美多所高校对温度传感器的数据传输、运行系统等进行了深入研究，并且取得了不错的成果。之后，随着各国之间科学技术的不断交流，无线温度传感器开始在亚洲盛行起来。无线温度传感器改进了传统温度传感器的不足，特别是基于Wi-Fi技术的温度传感器，无需布线，拥有小巧的体积和简便的安装过程，传输距离不再受限制，而且安全可靠。这些优点使得Wi-Fi温度传感器迅速走红。^[13]目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。^[12]

同时在21世纪半导体行业的飞速发展阶段，PN结温度传感器以其较低的误差、较快的反应速度、较低的功耗以及较廉价的成本迅速在温度传感器市场打下一片天地。^[2]目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，由集成化向智能化发展。而智能温度传感器正朝着小体积、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拓展。随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术以及材料工艺和制造工艺的不断提升，温度传感器发展的方向不外乎小体积、低功耗、快响应和高灵明度。^[14]

温度传感器是温度测量仪表的核心组成部分。常见的温度传感器有热电偶、热电阻式温度传感器和集成温度传感器。下面主要介绍这几种典型温度传感器的结构及测温原理。^[15]

热电偶是目前工业上应用最广泛的温度传感器。热电偶的测温精度和灵敏度足够高，稳定性和复现性也较好，动态响应快，测温范围广，信号便于传送。^[16]

热电偶通常由热电极、绝缘子、保护管和接线盒四部分组成。热电极是由两种不同材料的导体焊接而成。焊接的一端为工作端(或热端)，与导线连接的一端为自由端(或冷端)，导体称为热电极。热电极是热电偶的最核心的部件，通常由贵重金属制成。绝缘子是用来防止两根热电极断路的。保护管套装在热电极和绝缘子的外面，其作用是将热电极和被测介质隔离，使热电极免受化学和机械损伤。接线盒的作用是连接热电极和补偿导线使用的，必须防止灰尘水和气体进入热电极，否则不仅影响热电极的使用寿命，还会影响测量精度。接线盒的接线端子一定要标明热电极的正负极。^[17][16]

热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，如下图所示为热电偶传感器工作原理图，其测温的基本原理是，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差，可用测量的电势差来计算温度。^[18][19][16]

当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间存在电动势一一热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成分的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端 TH(热端温度)，温度较低的一端为自由端TC(冷端温度)，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，分度表是自由端温度为0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。^[19][18][16]

热电阻式温度传感器的测量温度区间为-200℃~500℃，如果用热电偶测量500℃以下的温度，则会出现热电偶输出的热电势很小，而使得自由端温度问题所引起的相对误差突出，不易得到补偿等问题。因此，在检测500℃以下的温度时一般不使用热电偶，而是采用其它方法，热电阻就是其中的一种。^[16][20]热电阻式传感器是根据导电物体的电阻率随其温度的改变而改变的温度电阻效应原理而制作的传感器，主要包含热电阻和热敏电阻两种。^[21][20]

热电阻

在工业中使用的标准热电阻的结构有普通型装配式和柔性安装型铠kǎi装式两种。普通型装配式是将铂热电阻的感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属或陶瓷保护套管内，再装上接线盒而成，如下图（2）所示。柔性安装型铠装式是将铂热电阻感温元件、引线、绝缘粉组装在不锈钢管内，再经模具拉伸成坚实整体，具有坚实、抗振、可绕、线径小、安装使用方便等特点，如下图（1）所示。^[22]

金属热电阻传感器的感温元件是由纯金属制成，理想材料有铂、铜、镍niè等，根据感温元件的材料及适用温度范围一般可分为铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻和低温用热电阻等。大多数金属在温度变化时，其自身的阻值都要按一定规律发生变化，电阻温度计就是利用热电阻这一感温元件将温度的变化转化为电阻值的变化，通过测量桥路转化为电压信号。然后再经过显示仪表指示出来或送到其它控制电路中去的。^[23][16][15]

热敏电阻

热敏电阻的测温原理是利用半导体材料的电阻率随温度改变而改变的特性。热敏电阻可以分为正温度系数(PTC) 热敏电阻、负温度系数(NTC ) 热敏电阻以及临界温度电阻器( CTR ) 这三类。PTC是指电阻率随着温度的升高急剧增加的热敏电阻。正温度系数的热敏电阻作为测温工具，主要用途有：电冰箱压缩机的起动电路、防止电动机电流过大而产生过热现象的保和限流电路，以及装在干燥器上作为恒温开关。NTC是指电阻率随着温度的升高而比较缓慢匀速减少的热敏电阻。主要用在电子产品中测量微波的功率、对温度进行监测、补偿以及控制。^[15]

所谓集成温度传感器，就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感元件信号放大电路、温度补偿电路、基准电源等在内的各个单元，它使得传感器及其信号处理电路融为一体。常用的集成温度传感器有AD590、AN670IS，其外形和符号如下图所示，引脚功能如下表所示。^[16][15]

集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏三极管(一般为差分对管)及其外围电路集成在同一芯片上的集成化 PN 结温度传感器，这种传感器线性好，精度高，互换性好，并且体积小，使用方便，其工作温度范围一般为-50℃~+150℃。集成电路温度传感器的感温元件采用差分对晶体三极管，它产生与绝对温度成正比的电压和电流，这部分常称为PTAT(Proportional To Absolute Temperature)。^[24][15]

温度传感器有多种分类方式，如可按测量方式、材料及特性和测温原理等来划分。每种分类又有多种不同的温度传感器，如按测温原理可分为电阻式温度传感器、热电偶式温度传感器和PN结式温度传感器，具体的分类如下。^[7]

按材料材质划分

传统温度传感器：传统常规的传感器是以硬质材料为主，如硅、二氧化硅、氧化铝等，虽然应用广泛，但是存在着生物相容性差、刚性大、难以进行非均匀曲面检测等缺陷；柔性温度传感器：可穿戴式柔性传感器以具有一定延展性的柔性材料为基板，例如纸张、织物和聚氨酯zhǐ（PU）等，可以实现对非均匀曲面的物理参数检测。因其柔韧、轻薄等优势，常用于在人、医疗保健、运动员和消防员的生理参数监测等。^[3][25]

按测量方式划分

非接触式温度传感器：该类传感器大多用作商业温度传感器，它们通过红外测温、超声波和光纤等技术，测量物体表面或内部的光热辐射功率来检测温度；接触式温度传感器：接触式温度传感器大多基于物理变化，主要是测量与它们保持接触的物质的温度（假设它们之间存在热平衡，它们之间没有热流）。^[26][27]

按测温原理划分

电阻式温度传感器：电阻式温度传感器通常使用对温度较为敏感的金属作为感温材料，通过测量温敏材料的电阻值变化从而得到被测物体的相应温度。由于感温材料通常为金属，因此这类温度传感器的测量范围较广，温敏材料的电阻与温度呈现较好的线性关系，测量结果较为稳定；热电偶式温度传感器：热电偶式温度传感器是通过热电效应来实现测温，使用两种不同的材料作为热电极形成导电通路，其中一端为工作端，当两端存在温差时，导电通路中会产生电动势，通过对回路中的电信号放大，二次转化分析就能够得到所测温度值；PN结式温度传感器：PN结型温度传感器是利用半导体器件的某些性能参数对温度的依赖性，实现对温度的检测，相较于电阻式、热电偶式两种温度传感器，PN结温度传感器体积更小，测量更加精准，响应速度更快，在水产、家电等领域有着较为广泛的使用。^[27][28][29]

按讯号输出方式划分

模拟温度传感器：模拟温度传感器有多种输出形式(绝对温度、摄氏温度和华氏温度)以及电压偏移值。模拟温度传感器的输出还可以送到比较器来产生超温指示信号，或直接送到模拟数字转换器的输入，用来显示实时温度数据。模拟温度传感器适合需要低成本、小体积和低功耗的应用；数字温度传感器工作原理是被测温度信号从敏感元件接收非电量转换到数字信号，一般将其处理过程集成在单片IC器件体内部，使得温度传感器高度精确。^[30]

家用电器：随着科学技术的发展，家用电器的智能化水平越来越高。其中，利用传感器实现对家用电器的智能控制已经成为家电生产厂家获取市场份额的重要手段。在家用电器智能控制的过程中，温度传感器就是一类使用广泛且非常重要的传感器。大力加强温度传感器在家用电器中工作原理的研究及应用，不但可以提高智能控制的层次，还可以不断提高家用电器制造企业的核心竞争力。经常应用在家用电器上的温度传感器为热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器两类。^[31]

汽车电子：集成温度传感器在汽车上广泛应用于不同的温度检测、温度控制场合。汽车温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。目前已实用化的产品主要有热敏电阻式温度传感器、铁氧体式温度传感器(ON／OFF型)、金属或半导体膜空气温度传感器。由于传统的温度传感器难于满足多功能化、集成化、智能化控制的要求，现代汽车正在开发精度更高、响应时间更快的集成温度传感器。^[32]汽车电子控制系统中，用于检测温度参数的温度传感器还有进气温度传感器、排气温度传感器、燃油箱温度传感器、变速器油温度传感器、蒸发器温度传感器、车内温度传感器、车外温度传感器、加热器温度传感器等，分别用于相关控制系统的温度修正控制或与温度相关的自动控制。^[33]

航空领域：温度传感器是飞机环境控制系统中最重要的检测与控制元件，选型合理、安装正确、质量稳定是环境控制系统安全性、经济性和舒适性的保证。随着系统健康管理要求的提高和传感器技术的发展，飞机环境控制系统温度传感器与系统附件、管路会逐渐融合，如嵌入式光纤温度传感器、内埋铂电阻模式或应变式温度传感器，通过与其他传感器组合，促成下一代智能阀、智能管路等智能附件的出现，真正达到系统运行自主化和最优化。^[34]

生物医学：一般都使用特殊的温度传感器，而且要求使用的温度传感器具有功耗低、稳定性好、可靠性高和精度高（精确度小于0.1℃）等优点。^[35]例如热电偶传感器具有测温范围宽、性能稳定、准确可靠等优点，在医学领域应用十分广泛。在肿瘤治疗中已经证明，加热能增强放射性对肿瘤的杀灭力。加热到43℃，能使放射性剂量减少1/3，减少了放射的副作用。深部肿瘤用超声加热时，对肿瘤区的温度测量精度要求较高，利用热电偶和恒温冰槽技术，可以把肿瘤加热区的温度精确控制在43℃附近。^[14]

军事防御：可以利用Wi-Fi温度传感器来监测战场周围温度变化，以作出及时应对。另外，自2001年以来，“反恐”一直是各国比较重视的问题，有效的防御系统可以很好地阻止一场袭击的发生。而在防御系统中，Wi-Fi温度传感器也可以起到重要作用，比如监测周围环境，收集数据信息等，以便应对突发事件。^[13]

太空应用：热敏电阻和硅PN结温度传感器主要应用于太空中的温度测量。将来的卫星设计会使用更多的带有数字输出功能的温度传感器，传送的数字信息要求能够与微处理器兼容。^[35]

工业应用：热电偶式温度传感器通常在工业生产中大量使用，具有安装使用简单，耐高温的优点。由于市场对成本较低、稳定性好和可靠性高的通信系统的需求量越来越高，对温度传感器的要求也越来越高。目前，智能温度传感器也由于其优越的性能在工业中被广泛应用。^[35]

确定温度传感器的构造和应用领域后，还必须对温度传感器的技术性指标加以说明，温度传感器的主要技术性指标包括转换时间、温度分辨率、温度范围、功耗和相对误差等。^[2]

转换时间：指在电源电压开启后至输出温度所对应的准确的编码的时间。转换时间代表着温度传感器的实时检测性能；^[2]

工作温度范围：指温度传感器在正常工作时所包含的工作温度范围，而商业使用中的工作温度范围通常位于-40℃至125℃范围内；^[2]

响应时间：温度传感器的一个重要指标是响应时间，尤其是在测量温度时幅度变化较大的工作环境以及对温度变化比较敏感的应用场合十分重要，它一般表示成时间常数T能否正确测量温度、及时反映被测温度的变化的关键是正确认识温度传感器的时间常数^[5]

温度分辨率：温度传感器对环境温度变化的最小辨识值，反映了温度传感器的高精度和灵敏度。温度分辨率由数字编码的位数bit高低来决定，分辨率较高时，伴随着功耗与转换时间等性能要求的下降；^[2]

功耗：功耗是芯片的一个关键技术指标，代表着在电路正常工作状况下电压和电流的乘积，芯片内部的发热与散热会很大程度影响温度传感器的功耗；^[2]

相对误差：相对误差指温度传感器在实际工作输出的二进制编码所对应的温度值与实际数温度数值之间的差值，在衡量温度传感器的准确性方面意义重大。^[2]