温度传感器的种类及其工作原理

在前面一篇博文《温度传感器在智能穿戴市场的应用中》中，我向大家介绍了温度传感器在智能穿戴市场的应用，那温度传感器具体有哪些种类，又各自有什么不同的工作原理呢，让我们通过这篇博文来进行进一步了解吧。

1、热电偶传感器

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶传感器就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

2、电阻传感器

热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。半导体中参加导电的是载流子，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多，所以它的电阻率大。随温度的升高，半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子—空穴对，因而参加到电的载流子数目增加了，半导体的电阻率也就降低了（电导率增加）。因为载流子数目随温度上升按指数规律增加，所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。当温度变化 1℃ 时，某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到（3～6）%。在一定条件下，根据测量热敏电阻值的变化得到温度的变化。

热敏电阻在穿戴产品上主要用作体温测量时的温度补偿，以及元件芯片的过热保护。

3、红外温度传感器

在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于 0.75～100μm 的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理，并广泛运用于额温枪、红外耳温计等体温测量设备中。

4、数字式温度传感器

数字式温度传感器芯片采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用 PTAT（与绝对温度成正比） 结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT 的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t 为摄氏度。输出数字信号故与微处理器 MCU 兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。

当然，可穿戴类设备的使用中也要注意影响测温精度的其他一些因素，例如，设备的温度传感器需要与待测热源紧密耦合，以保证最优的热传导路径；温度传感器还应远离其他热源，并尽量缩短工作时间，降低其自发热。另外，对温度准确度要求较高客户，推荐使用 2 颗温度传感器分别测量环境温度和皮肤温度，通过补偿即可得出较为准确的体温值。

纳芯微的 NST1002 和 NST112 就是两款适合应用于穿戴产品的数字温度传感器，NST1002 可替代热敏电阻进行环境温度的测量，高精度的 NST112 可用于测量体表温度，结合相应算法测量

Novosense NST1002

图一  NST1002

主要特点

• 高精度： –50°C to 150°C / 25°C ~ 85°C: ±0.1°C (Typical) / 25°C ~ 85°C: ±0.2°C (Maximum) / -40°C ~ 125°C: ±0.5°C (Maximum)
• 更高分辨率：0.0078125°C (1 LSB)
• 数据转换和传输：32ms/period
• 电压范围：1.7V to 5.5V
• Pin to Pin 替换 NTC 器件
• 转换电流：30uA (Typical)
• 休眠电流：5.4μA (Typical)

 Novosense NST112

图二  NST112 功能框图

主要特点

• 采用高可靠性CMOS芯片工艺

• 测温范围：-40℃ ~ 125℃

• Pin to Pin 兼容 TMP1x2 系列数字温度传感器

• 支持 default 模式选择，实现低功耗应用   

• 超低功耗：6.5uA 工作电流 @4Hz/0.5uA 休眠电流

• 2.9uA @1Hz Working Mode

• 高精度：±0.1℃ at 25℃~45℃ (typical error)@WLCSP / ±0.5℃ at -20℃ to +85℃ (typical error) / ±1.0℃ at -40℃ to +125℃ (maxim error)

• 宽工作电压范围： 1.5V ~ 3.6V

• JEDEC标准小型 SMD 封装：1.6mm x 1.2mm SOT563

• 超小型晶圆级封装：WLCSP4(0.75*0.75mm)

参考资料