在当今科技飞速发展的时代,温度传感器在众多领域都发挥着至关重要的作用。从消费电子产品的精准温控,到环境监测的数据采集,再到工业加工的严格温度把控,温度传感器的身影无处不在。然而,市场上温度传感器种类繁多,如何为特定应用选择合适的温度传感器,成为了许多工程师和技术人员面临的重要问题。
在选择温度传感器时,首先要明确应用要求的温度范围。温度的跨度极为广泛,不同的应用场景对温度范围的需求差异巨大。除了温度范围,还需综合考虑准确度、功耗、尺寸限制、通信协议(如 SMBus、SPI、I2C、1 - Wire? 等)以及预算等要素,这些因素有助于缩小合适器件的选择范围。
目前,较常用的温度传感器主要有四类。RTD(电阻温度检测器)在中等温度范围( - 200℃至 + 850℃)内具有出色的准确度和稳定性,若准确度是首要考量因素,RTD 是不错的选择。热电偶适用于测量温度范围非常宽泛的应用,虽然在高温( - 270℃至 + 1800℃)下准确度较低,但能适应高温环境。性价比高,常用于消费电子产品,在有限的温度范围内准确度相对较好。基于的传感器利用二极管两端的电压降与温度的关系来测量温度,性价比高,温度测量范围有限( - 55℃至 + 150℃),响应速度快,且体积比其他三种类型的传感器都要小,还能轻松与微控制器、ADC 和 ASIC 连接,应用范围广泛,涵盖消费电子、工业自动化、数据中心(存储系统)、汽车等众多电子应用领域。
温度传感器的输出可以是模拟电压或数字信号。现代温度传感器多采用数字通信,如 SMBus、SPI、I2C 和 1 - Wire 接口,便于与微控制器和其他数字器件进行通信。其中,1 - Wire 接口支持将多个传感器连接到同一条数据线。
在准确度方面,对于需要温度读数的应用,选择高准确度的温度传感器至关重要。应优先考虑 RTD 或基于二极管的采用校准的温度传感器。例如 ADI 新款高准确度温度传感器 MAX31888,这是一款 1 - Wire 高准确度、低功耗数字温度传感器,在 - 20℃至 + 105℃范围内的准确度达到惊人的 ±0.25℃,适用于精密温度监测应用。在测量过程中,该 IC 消耗 68 μA 工作电流,分辨率为 16 位 (0.005℃)。该传感器通过 1 - Wire 总线与微控制器通信,仅需一根数据线(和一个接地参考)即可进行通信,还能通过数据线直接从寄生电源获得电力,无需外部电源,采用 6 引脚 μDFN 封装,外部电源的电源电压范围为 1.7 V 至 3.6 V,工作温度范围为 - 40℃至 + 125℃。

在功耗和尺寸方面,对于可穿戴设备等电池供电的设备,这两个因素是选择器件的关键。低功耗传感器能缩短充电时间并延长电池寿命,同时保持准确度。如 MAX31875,这是一款准确度为 ±1℃的本地温度传感器,带有 I2C/SMBus 接口,平均电源电流小于 10 μA。它兼具超小封装尺寸、温度测量准确度出色和电源电流消耗非常低等特性,是各种设备尤其是电池供电和可穿戴设备的理想选择。兼容 I2C/SMBus 的串行接口接受标准的写入字节、读取字节、发送字节和接收字节命令,以读取温度数据并配置传感器的行为,采用 4 引脚晶圆级封装 (WLP),工作温度范围为 - 50℃至 + 150℃。


为了保护 CPU、FPGA 和 ASIC 等高性能 IC,半导体制造商会在芯片内部集成温度检测二极管,二极管一端连接外部双极性,分别用于测量本地和远端温度。热敏晶体管位于 IC 裸片之上,测量准确度明显高于其他检测技术。ADI 提供多种可检测热敏二极管温度并将信号转换为数字形式的 IC,有些器件仅测量一个热敏二极管,有些则可测量多达四个甚至八个热敏二极管。如 MAX31732,这是新款多通道温度传感器,可监测自身温度和多达四个外部晶体管的温度。其电阻抵消功能可补偿电路板走线和外部热敏二极管之间的高串联电阻,β 补偿可校正由低 β 检测晶体管引起的温度测量误差。该器件还提供两个开漏、低电平有效报警输出 ALARM1 和 ALARM2,分别监测主要过温 / 欠温阈值水平。非易失性 (NVM) 支持传感器在上电期间对配置寄存器进行编程,无需软件 / 固件干预。双线式串行接口支持 SMBus 协议(写入字节、读取字节、发送字节和接收字节),可读取温度数据并对温度阈值进行编程设置。


综上所述,为特定应用选择适当的温度传感器,需要全面、仔细地考虑各种因素,包括应用要求、准确度、周围条件、输出接口、功耗和成本等。通过深入了解这些因素并评估可用方案,才能选择出满足特定需求、确保在应用中准确可靠地测量温度的温度传感器。