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溫度傳感器的發(fā)展和前景

一、溫度傳感器的發(fā)展歷史

溫度和壓力一樣，也是過程控制中最重要的測量變量之一。例如在冷卻回路 中，溫度監(jiān)測不僅用來確保產(chǎn)品質(zhì)量，還用來保證系統(tǒng)安全。過程工業(yè)往往利用熱 能進行控制，所以，根據(jù)應(yīng)用需要選擇理想的溫度傳感器，可實現(xiàn)既定測量目的并 確保最佳測量效果。當(dāng)然，對過程工藝的熟悉和預(yù)見可能出現(xiàn)的不確定擾動也是很 重要的。溫度的計量和監(jiān)測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟各部門具有重要意義和十分廣 泛的應(yīng)用。

在溫度的計量和監(jiān)測中，要將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杽t離不開溫度傳感器。所 謂溫度傳感器，就是能夠通過檢測那些物理量而可知其溫度的器件。在測量過程 中，由于溫度的測量范圍很寬，從極低溫到極高溫，每一種溫度傳感器又具有各自 的特點、適用范圍和使用條件。因此，應(yīng)根據(jù)實際使用時的不同要求，適當(dāng)?shù)剡x擇 溫度傳感器。同時，根據(jù)目前材料學(xué)、工藝學(xué)及其他領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研制新型溫度傳感器以及開發(fā)與其配套的二次儀表及顯示裝置便顯得尤為重要。

各種與溫度有關(guān)的物理量(如熱膨脹、電阻、熱電動勢、磁性、電容、光學(xué)特 征、彈性、熱噪聲等)都可作為溫度測量器件的理論基礎(chǔ)。溫度傳感器大致可分為 非接觸式和接觸式兩大類。接觸式的溫度傳感器是通過傳感器本身與被測物體的直 接接觸來測量物體的溫度，常見的有熱電偶、熱敏電阻、鉑熱電阻、雙金屬片、光 纖、半導(dǎo)體、磁性等溫度傳感器。非接觸式的溫度傳感器則是通過監(jiān)測物體熱輻射 發(fā)出的紅外線或光來測量物體的溫度，常見的有量子轉(zhuǎn)換型和熱紅外線型。盡管溫 度傳感器的種類很多，但有各自的優(yōu)缺點以及所適合的應(yīng)用場合。

制作溫度傳感器的材料有多種選擇，如金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、有機高分 子材料等，現(xiàn)在運用最廣泛的是傳統(tǒng)金屬電阻溫度傳感器和半導(dǎo)體溫度傳感器。傳 統(tǒng)的金屬電阻溫度傳感器缺點很明顯:制作和標(biāo)定非常煩瑣、體積大、價格貴、應(yīng) 用場合有限等。雖然金屬熱敏電阻阻值與溫度之間在更大的溫度范圍內(nèi)具有更為優(yōu) 良的線性關(guān)系。只是由于沿著傳統(tǒng)思路制作的金屬熱敏電阻溫度傳感器在體積大 小、制作復(fù)雜性等方面都存在不可克服的問題。半導(dǎo)體熱敏電阻溫度傳感器雖然具 有微小化和集成化等優(yōu)點，但需要許多線性化修正工作且都具有工作范圍的局限 性。而CMOS技術(shù)則正好解決了傳統(tǒng)熱敏電阻溫度傳感器在體積、制作等方面的 諸多問題，并且繼承了半導(dǎo)體熱敏電阻溫度傳感器微小化和集成化的所有優(yōu)勢，并 獲得了巨大的成功。

最早的溫度傳感器是伽利略制成的氣體膨脹式溫度計。世界上第一個把溫度變 成電信號的傳感器，是由德國物理學(xué)家賽貝1821年發(fā)明的熱電偶傳感器。50年 后，德國人西門子又發(fā)明了鉑電阻溫度計。經(jīng)過后人廣泛深人的研究，伴隨著材料 和加工技術(shù)的發(fā)展，溫度傳感器逐漸發(fā)展成目前應(yīng)用最廣泛的一種傳感器。本世紀(jì) 相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。此外， 根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，還相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波 傳感器等。

隨著各類電子產(chǎn)品的便攜化，可用于片上測溫的集成溫度傳感器的發(fā)展便越趨 灼熱化。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大 致經(jīng)歷了以下三個階段。

1.傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)

傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器，均屬于分立式溫度 傳感器，傳感器本身就是一個完整的、獨立的感溫元件。此類傳感器通常要配溫 度變送器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的模擬量(電壓或電流)輸出信號。使用時還需配上二次 儀表，才能完成溫度測量及控制功能。其主要缺點是外圍電路比較復(fù)雜、測量精 度較低、分辨力不高，需進行溫度校準(zhǔn)(例如非線性校準(zhǔn)、溫度補償、傳感器標(biāo)定 等)，另外它們的體積較大，使用也不夠方便。因此，分立式溫度傳感器將逐漸被淘汰。

2.模擬集成溫度傳感器/控制器

集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此也稱硅傳感器或單片集 成傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的.它是將溫度傳感器 集成在一個芯片上，可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用lC，它屬于最 簡單的一種集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測 量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗. 適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準(zhǔn)。外圍電路簡單，它是目前在國 內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592、TMP17、 IJM135等。

模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器.典型產(chǎn)品有 LM56、AD22105和MAX6509。某些增強型集成溫度控制器(例如TC652/653) 中還包含了A/D轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處， 但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。

3.智能溫度傳感器

智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。 智能溫度傳感器是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)的結(jié)晶，它也是集成 溫度傳感器領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。國際上許多著名的集成電 路生產(chǎn)廠家已經(jīng)開發(fā)出上百種智能溫度傳感器產(chǎn)品。智能溫度傳感器具有以下三 個顯著特點:①能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器 (MCU):②能以最簡方式構(gòu)成高性價比、多功能的智能化溫度測控系統(tǒng);③它 是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開 發(fā)水平。

智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器(或寄存器) 和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器 (RAM)和只讀存儲器(ROM)。