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温度传感器解决方案

本站速递中国仪表网2008年05月06日 08:42人气:791

   温度传感器在车内温度控制和引擎监控等汽车应用中发挥着重要作用。设计时慎重考虑传感器选型则可以在不增加成本的情况下利用新技术来提高性能。

  对于许多应用而言,存在着比传统热敏电阻更先进的技术,而传统技术往往只是因为先前设计中一直采用而被频繁使用。

  使用硅技术制造温度传感器是实现最佳可靠性的方法之一,因为这种传感器的行为与硅本身一样稳定。例如,基于硅的传感器在长达50年的时间内漂移量甚微。精确的半导体制造技术使传感器具备高度的可再生产性。

  硅的另一大优势在于,传感器能够充分利用集成电路的封装和大批量制造原理。这对当今汽车应用尤为重要,因为小型化和封装已经成为其主导趋势。

  硅温度传感器还具有正温度系数,其电阻随温度升高而增大,从而能提供故障防护功能。

  制造稳定、高度线性且耐用的硅温度传感器的方法之一是利用扩散电阻原理(图1)。

图1:“扩散电阻”器件提供圆锥形电流分布。

  芯片尺寸约为500x500x240μm。芯片的上表面覆盖着二氧化硅绝缘层,上有一个直径约为20μm的金属化切割孔。整个底面都经金属化处理。

这种排列通过晶体提供圆锥形电流分布,因而得名为“扩散电阻”。此类排列的主要优点在于,传感器电阻对制造公差的依赖程度有显著降低。 

  靠近金属化孔的区域决定了电阻的主要部分,因此电阻的构建独立于硅晶体的尺寸公差。扩散到金属化表层下面晶体内的n 区域则降低了金属-半导体结点处阻挡层的效应。

  但这种配置与极性高度相关,并且需要径向引线封装。有时还会在安装传感器时引发一些问题,因为其极性并非总是那么明显。

  要成功解决此问题,可以串联两个极性相反的传感器,如图2所示。采用这种配置后,传感器的电阻将与电流方向无关。

 图2:两个极性相反的传感器的串联。
  但单传感器排列在一些应用中也具备优势。例如,结构简单的特性使得该传感器能以紧凑的SOD68(DO-34)封装进行生产。另一重要优点在于其工作温度最高可达300℃,而非硅传感器通常的150℃。

  这在单传感器件用金属触点正极偏置时即可实现。最高温度之所以能提高,是因为金触点上的正电压极大地降低了上部n 扩散层中的空穴浓度。

扩散电阻技术是恩智浦半导体KTY系列硅温度传感器的基础。该技术能够进行高度精确的温度测量,因为它们可以在整个温度范围内呈现真正线性的温度系数(图3)。 

图3:扩散电阻传感器的线性特性(恩智浦半导体公司的KTY 81/82)。 

  随温度而变化的电阻值可以用与类型有关的常数A和B来计算。在需要更高线性度的场合,可以很方便地添加线性化电阻器。

  由于温度系数为正,传感器在系统过热时可以执行故障防护功能。此外,硅特性天性稳定,因此KTY传感器具备极高可靠性和极长的使用寿命。

  KTY温度传感器的应力测试表明,传感器在接近最高温度的条件下工作10,000小时,典型漂移量仅0.2K。

  然而这些传感器通常的工作温度仅为规定最高温度的一半,因此根据对真实环境下的测试数据推断,这种低漂移量可以保持450,000小时(51年)。

  恩智浦为汽车设计工程师们提供了当今选择范围最广的硅温度传感器,公司根据封装、标称电阻、公差和工作范围划分出了丰富的产品系列。KTY81和KTY82系列使用双传感器技术,适用于与极性无关的检测场合。

KTY83和KTY84系列采用专为在油或水之类的液体内使用而设计的密封玻璃封装。KTY84系列的工作温度高达300℃,是排气和加热系统的理想选择。 

  KTY传感器还有(玻璃或塑料和SMD(塑料))引线式封装可供选择,如图4所示。

 图4:不同封装提供了设计灵活性。 

  得益于高精度和卓越的长期稳定性,采用扩散电阻技术的KTY系列硅传感器将成为基于负温度系数(NTC)或正温度系数(PTC)技术的传统传感器的有力替代品。

  它们的主要优点是:

  1. 长期稳定性;

  2. 基于硅批量处理技术;

  3. 近似线性的特性。

  汽车应用包括油温检测、引擎冷却、车内温度控制和柴油喷射等。表1显示了恩智浦公司适用于汽车应用的系列解决方案。

表1:恩智浦公司提供的一系列硅温度传感器解决方案。 

  尤其在汽车应用方面,硅温度传感器技术提供了更高的可靠性和设计灵活性,而且不会增加成本。摒弃传统技术而优先采用这种技术能使工程更加顺利。
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