溫度傳感器是通過被感知對象的溫度變化而相應改變其某種特性或參量的敏感元件。其作用是把監測對象的冷熱程度轉化為電信號進行輸出，具有結構簡單、性能穩定、精度高和大范圍測量等優點。
溫度傳感器的發展大致經歷了傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件)、模擬集成溫度傳感器/控制器、智能溫度傳感器三個階段。目前，國際上新型溫度傳感器正由模擬式向數字式，由集成化向智能化、網絡化的方向發展。溫度傳感器主要由溫度感知模塊與主體處理模塊構成，對于溫度感知模塊，主要由與開爾文變化成正比的感溫器件構成。溫度傳感器的感溫模塊主要作用為感知環境溫度，并且將溫度信號進行轉換，用電壓或電流等信號表示出溫度的大小。
溫度傳感器在溫控系統的發展中起著至關重要的作用，是最早開發，在各類傳感器中應用最為廣泛的一種。目前溫度傳感器主要應用于生活、工業、醫療、環境、氣候和科學研究等領域，種類數量高居各種傳感器之首。
發展歷程
溫度傳感器大體經歷了三個階段的發展：傳統分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和數字化智能溫度傳感器。
傳統分立式溫度傳感器
從廣義上來看，溫度計也是一種溫度傳感器。伽利略·伽利萊在1600年就研究出了氣體溫度計，又經過一個世紀的發展，相繼出現了酒精溫度計及水銀溫度計。人類歷史上第一次將溫度轉化為電信號是18世紀從物理學家塞貝發明出熱電偶傳感器開始的。在此之后，相繼出現了電阻溫度探測器(RTD)和熱敏電阻器。
模擬集成溫度傳感器
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IC。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、體積小和微功耗等，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。它是目前在全球應用最為普遍的一種集成傳感器，典型產品有AD590、AD592、TMP17，LM135等。第一款完全集成的溫度傳感器是NS公司于1995年生產的LM75，此溫度傳感器已經成為了業界標準。因為其不僅可以集成到芯片內部，作為過溫保護電路檢測芯片內部溫度，也可以單獨作為一塊芯片檢測環境溫度。因為新奇多樣的用途和功能，使得集成溫度傳感器的研究受到眾多集成電路研發人員的青睞。如今，集成溫度傳感器在汽車電子，醫療設備，消費類電子上有著廣泛的應用。
數字化智能溫度傳感器
智能溫度傳感器也稱為智能溫度控制器，是在20世紀90年代中期問世的，是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。從20世紀90年代末開始，以美國為首的歐美國家已經開始致力研究無線溫度傳感器，這一時期的傳感器多應用于軍事領域。21世紀以來，歐美多所高校對溫度傳感器的數據傳輸、運行系統等進行了深入研究，并且取得了不錯的成果。之后，隨著各國之間科學技術的不斷交流，無線溫度傳感器開始在亞洲盛行起來。無線溫度傳感器改進了傳統溫度傳感器的不足，特別是基于Wi-Fi技術的溫度傳感器，無需布線，擁有小巧的體積和簡便的安裝過程，傳輸距離不再受限制，而且安全可靠。這些優點使得Wi-Fi溫度傳感器迅速走紅。目前，國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。
同時在21世紀半導體行業的飛速發展階段，PN結溫度傳感器以其較低的誤差、較快的反應速度、較低的功耗以及較廉價的成本迅速在溫度傳感器市場打下一片天地。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式，由集成化向智能化發展。而智能溫度傳感器正朝著小體積、高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速拓展。隨著微電子技術、計算機技術和自動測試技術以及材料工藝和制造工藝的不斷提升，溫度傳感器發展的方向不外乎小體積、低功耗、快響應和高靈明度。
結構及原理
溫度傳感器是溫度測量儀表的核心組成部分。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，常見的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻式溫度傳感器和集成溫度傳感器。下面主要介紹這幾種典型溫度傳感器的結構及測溫原理。
熱電偶
熱電偶是目前工業上應用最廣泛的溫度傳感器。熱電偶的測溫精度和靈敏度足夠高，穩定性和復現性也較好，動態響應快，測溫范圍廣，信號便于傳送。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40微伏/℃之間。
熱電偶通常由熱電極、絕緣子、保護管和接線盒四部分組成。熱電極是由兩種不同材料的導體焊接而成。焊接的一端為工作端(或熱端)，與導線連接的一端為自由端(或冷端)，導體稱為熱電極。熱電極是熱電偶的最核心的部件，通常由貴重金屬制成。絕緣子是用來防止兩根熱電極斷路的。保護管套裝在熱電極和絕緣子的外面，其作用是將熱電極和被測介質隔離，使熱電極免受化學和機械損傷。接線盒的作用是連接熱電極和補償導線使用的，必須防止灰塵水和氣體進入熱電極，否則不僅影響熱電極的使用壽命，還會影響測量精度。接線盒的接線端子一定要標明熱電極的正負極。
熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構成，如下圖所示為熱電偶傳感器工作原理圖，其測溫的基本原理是，當熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中就有電壓，可用測量的電勢差來計算溫度。
當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間存在電動勢一一熱電動勢（該電動勢的數值與這兩種導體的材質有關），這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成分的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端 TH(熱端溫度)，溫度較低的一端為自由端TC(冷端溫度)，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度為0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。
熱電阻式溫度傳感器
熱電阻式溫度傳感器的測量溫度區間為-200℃~500℃，如果用熱電偶測量500℃以下的溫度，則會出現熱電偶輸出的熱電勢很小，而使得自由端溫度問題所引起的相對誤差突出，不易得到補償等問題。因此，在檢測500℃以下的溫度時一般不使用熱電偶，而是采用其它方法，熱電阻就是其中的一種。熱電阻式傳感器是根據導電物體的電阻率隨其溫度的改變而改變的溫度電阻效應原理而制作的傳感器，主要包含熱電阻和熱敏電阻兩種。
熱電阻
在工業中使用的標準熱電阻的結構有普通型裝配式和柔性安裝型鎧[kǎi]裝式兩種。普通型裝配式是將鉑熱電阻的感溫元件焊上引線組裝在一端封閉的金屬或陶瓷保護套管內，再裝上接線盒而成，如下圖（2）所示。柔性安裝型鎧裝式是將鉑熱電阻感溫元件、引線、絕緣粉組裝在不銹鋼管內，再經模具拉伸成堅實整體，具有堅實、抗振、可繞、線徑小、安裝使用方便等特點，如下圖（1）所示。
金屬熱電阻傳感器的感溫元件是由純金屬制成，理想材料有鉑、銅、鎳[niè]等，根據感溫元件的材料及適用溫度范圍一般可分為鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻和低溫用熱電阻等。對于不同金屬來說，溫度每變化一度，電阻值變化是不同的，大多數金屬在溫度變化時，其自身的阻值都要按一定規律發生變化，電阻溫度計就是利用熱電阻這一感溫元件將溫度的變化轉化為電阻值的變化，電阻值又可以直接作為輸出信號。然后再經過顯示儀表指示出來或送到其它控制電路中去的。
熱敏電阻
熱敏電阻的測溫原理是利用半導體材料的電阻率隨溫度改變而改變的特性。熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。熱敏電阻可以分為正溫度系數(PTC) 熱敏電阻、負溫度系數(NTC ) 熱敏電阻以及臨界溫度電阻器( CTR ) 這三類。PTC是指電阻率隨著溫度的升高急劇增加的熱敏電阻。正溫度系數的熱敏電阻作為測溫工具，主要用途有：電冰箱壓縮機的起動電路、防止電動機電流過大而產生過熱現象的保和限流電路，以及裝在干燥器上作為恒溫開關。NTC是指電阻率隨著溫度的升高而比較緩慢勻速減少的熱敏電阻。主要用在電子產品中測量微波的功率、對溫度進行監測、補償以及控制。
集成溫度傳感器
所謂集成溫度傳感器，就是在一塊極小的半導體芯片上集成了包括溫度敏感元件信號放大電路、溫度補償電路、基準電源等在內的各個單元，它使得傳感器及其信號處理電路融為一體。常用的集成溫度傳感器有AD590、AN670IS，其外形和符號如下圖所示，引腳功能如下表所示。
集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏三極管(一般為差分對管)及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化 PN 結溫度傳感器，這種傳感器線性好，精度高，互換性好，并且體積小，使用方便，其工作溫度范圍一般為-50℃~+150℃。集成電路溫度傳感器的感溫元件采用差分對晶體三極管，它產生與開爾文成正比的電壓和電流，這部分常稱為PTAT(Proportional To Absolute 溫度)。
主要分類
溫度傳感器有多種分類方式，如可按測量方式、材料及特性和測溫原理等來劃分。每種分類又有多種不同的溫度傳感器，如按測溫原理可分為電阻式溫度傳感器、熱電偶式溫度傳感器和PN結式溫度傳感器，具體的分類如下。
按材料材質劃分
按測量方式劃分
按測溫原理劃分
按訊號輸出方式劃分
應用領域
家用電器：隨著科學技術的發展，家用電器的智能化水平越來越高。其中，利用傳感器實現對家用電器的智能控制已經成為家電生產廠家獲取市場份額的重要手段。在家用電器智能控制的過程中，溫度傳感器就是一類使用廣泛且非常重要的傳感器。大力加強溫度傳感器在家用電器中工作原理的研究及應用，不但可以提高智能控制的層次，還可以不斷提高家用電器制造企業的核心競爭力。經常應用在家用電器上的溫度傳感器為熱敏電阻溫度傳感器和熱電偶溫度傳感器兩類。
汽車電子：集成溫度傳感器在汽車上廣泛應用于不同的溫度檢測、溫度控制場合。汽車溫度傳感器主要用于檢測發動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。目前已實用化的產品主要有熱敏電阻式溫度傳感器、鐵氧體式溫度傳感器(ON／OFF型)、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器。由于傳統的溫度傳感器難于滿足多功能化、集成化、智能化控制的要求，現代汽車正在開發精度更高、響應時間更快的集成溫度傳感器。汽車電子控制系統中，用于檢測溫度參數的溫度傳感器還有進氣溫度傳感器、排氣溫度傳感器、燃油箱溫度傳感器、變速器油溫度傳感器、蒸發器溫度傳感器、車內溫度傳感器、車外溫度傳感器、加熱器溫度傳感器等，分別用于相關控制系統的溫度修正控制或與溫度相關的自動控制。
航空領域：溫度傳感器是飛機環境控制系統中最重要的檢測與控制元件，選型合理、安裝正確、質量穩定是環境控制系統安全性、經濟性和舒適性的保證。隨著系統健康管理要求的提高和傳感器技術的發展，飛機環境控制系統溫度傳感器與系統附件、管路會逐漸融合，如嵌入式光纖溫度傳感器、內埋鉑電阻模式或應變式溫度傳感器，通過與其他傳感器組合，促成下一代智能閥、智能管路等智能附件的出現，真正達到系統運行自主化和最優化。
生物醫學：一般都使用特殊的溫度傳感器，而且要求使用的溫度傳感器具有功耗低、穩定性好、可靠性高和精度高（精確度小于0.1℃）等優點。例如熱電偶傳感器具有測溫范圍寬、性能穩定、準確可靠等優點，在醫學領域應用十分廣泛。在腫瘤治療中已經證明，加熱能增強放射性對腫瘤的殺滅力。加熱到43℃，能使放射性劑量減少1/3，減少了放射的副作用。深部腫瘤用超聲加熱時，對腫瘤區的溫度測量精度要求較高，利用熱電偶和恒溫冰槽技術，可以把腫瘤加熱區的溫度精確控制在43℃附近。
軍事防御：可以利用Wi-Fi溫度傳感器來監測戰場周圍溫度變化，以作出及時應對。另外，自2001年以來，“反恐”一直是各國比較重視的問題，有效的防御系統可以很好地阻止一場襲擊的發生。而在防御系統中，Wi-Fi溫度傳感器也可以起到重要作用，比如監測周圍環境，收集數據信息等，以便應對突發事件。
太空應用：熱敏電阻和硅PN結溫度傳感器主要應用于太空中的溫度測量。將來的衛星設計會使用更多的帶有數字輸出功能的溫度傳感器，傳送的數字信息要求能夠與微處理器兼容。
工業應用：熱電偶式溫度傳感器通常在工業生產中大量使用，具有安裝使用簡單，耐高溫的優點。由于市場對成本較低、穩定性好和可靠性高的通信系統的需求量越來越高，對溫度傳感器的要求也越來越高。目前，智能溫度傳感器也由于其優越的性能在工業中被廣泛應用。
性能指標
確定溫度傳感器的構造和應用領域后，還必須對溫度傳感器的技術性指標加以說明，溫度傳感器的主要技術性指標包括轉換時間、溫度分辨率、溫度范圍、功耗和相對誤差等。
轉換時間：指在電源電壓開啟后至輸出溫度所對應的準確的編碼的時間。轉換時間代表著溫度傳感器的實時檢測性能；
工作溫度范圍：指溫度傳感器在正常工作時所包含的工作溫度范圍，而商業使用中的工作溫度范圍通常位于-40℃至125℃范圍內；
響應時間：溫度傳感器的一個重要指標是響應時間，尤其是在測量溫度時幅度變化較大的工作環境以及對溫度變化比較敏感的應用場合十分重要，它一般表示成時間常數T能否正確測量溫度、及時反映被測溫度的變化的關鍵是正確認識溫度傳感器的時間常數
溫度分辨率：溫度傳感器對環境溫度變化的最小辨識值，反映了溫度傳感器的高精度和靈敏度。溫度分辨率由數字編碼的位數bit高低來決定，分辨率較高時，伴隨著功耗與轉換時間等性能要求的下降；
功耗：功耗是芯片的一個關鍵技術指標，代表著在電路正常工作狀況下電壓和電流的乘積，芯片內部的發熱與散熱會很大程度影響溫度傳感器的功耗；
相對誤差：相對誤差指溫度傳感器在實際工作輸出的二進制編碼所對應的溫度值與實際數溫度數值之間的差值，在衡量溫度傳感器的準確性方面意義重大。
參考資料 >