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溫度傳感器的發展和前景

一、溫度傳感器的發展歷史

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，溫度監測不僅用來確保產品質量，還用來保證系統安全。過程工業往往利用熱 能進行控制，所以，根據應用需要選擇理想的溫度傳感器，可實現既定測量目的并 確保最佳測量效果。當然，對過程工藝的熟悉和預見可能出現的不確定擾動也是很 重要的。溫度的計量和監測在工農業生產和國民經濟各部門具有重要意義和十分廣 泛的應用。

在溫度的計量和監測中，要將溫度信號轉變為電信號則離不開溫度傳感器。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，應根據實際使用時的不同要求，適當地選擇 溫度傳感器。同時，根據目前材料學、工藝學及其他領域科學技術的發展，研制新型溫度傳感器以及開發與其配套的二次儀表及顯示裝置便顯得尤為重要。

各種與溫度有關的物理量(如熱膨脹、電阻、熱電動勢、磁性、電容、光學特 征、彈性、熱噪聲等)都可作為溫度測量器件的理論基礎。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、半導體、磁性等溫度傳感器。非接觸式的溫度傳感器則是通過監測物體熱輻射 發出的紅外線或光來測量物體的溫度，常見的有量子轉換型和熱紅外線型。盡管溫 度傳感器的種類很多，但有各自的優缺點以及所適合的應用場合。

制作溫度傳感器的材料有多種選擇，如金屬導體、半導體、電介質、有機高分 子材料等，現在運用最廣泛的是傳統金屬電阻溫度傳感器和半導體溫度傳感器。傳 統的金屬電阻溫度傳感器缺點很明顯:制作和標定非常煩瑣、體積大、價格貴、應 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具有更為優 良的線性關系。只是由于沿著傳統思路制作的金屬熱敏電阻溫度傳感器在體積大 小、制作復雜性等方面都存在不可克服的問題。半導體熱敏電阻溫度傳感器雖然具 有微小化和集成化等優點，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技術則正好解決了傳統熱敏電阻溫度傳感器在體積、制作等方面的 諸多問題，并且繼承了半導體熱敏電阻溫度傳感器微小化和集成化的所有優勢，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，是由德國物理學家賽貝1821年發明的熱電偶傳感器。50年 后，德國人西門子又發明了鉑電阻溫度計。經過后人廣泛深人的研究，伴隨著材料 和加工技術的發展，溫度傳感器逐漸發展成目前應用最廣泛的一種傳感器。本世紀 相繼開發了半導體熱敏電阻傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。此外， 根據波與物質的相互作用規律，還相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波 傳感器等。

隨著各類電子產品的便攜化，可用于片上測溫的集成溫度傳感器的發展便越趨 灼熱化。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農 業生產、科學研究和生活等領域，數量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發展大 致經歷了以下三個階段。

1.傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件)

傳統的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導體溫度傳感器，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，以獲得標準的模擬量(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雜、測量精 度較低、分辨力不高，需進行溫度校準(例如非線性校準、溫度補償、傳感器標定 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、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗. 適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準。外圍電路簡單，它是目前在國 內外應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產品有AD590、AD592、TMP17、 IJM135等。

模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關、可編程溫度控制器.典型產品有 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，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區別。

3.智能溫度傳感器

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

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