シリコン温度センサーによる精密測定の実施

エレクトロニクス業界はこれまで以上のレベルの精度を要求しており、温度検知も例外ではありません。多くの温度検知ソリューションが存在し、それぞれに長所と短所があります。シリコン温度センサーは非常に直線的ですが、他のソリューションの精度を提供したことはありません。ただし、最近のシリコン温度検知の進歩により、シリコンソリューションで高解像度と高精度を実現できるようになりました。

新しいフリーザー

それは2020年3月で、英国はちょうど封鎖されようとしていました。スーパーマーケットが閉店した場合に備えて、世界は食料を買いだめしており、将来は不透明に見えました。その後、ブランブル世帯の冷凍庫は機能を停止しました。ケニー・ロジャースの曲「あなたは私を離れるのに良い時間を選んだ…」という言葉が頭に響き渡り、私たちは新しい代替品をオンラインで探しに行きました。

数日後、ブランブル夫人の望み通り、フロントパネルにデジタル温度表示を備えた新しい冷凍庫が到着しました。推奨設定は-18°Cで、1時間後、アプライアンスは正しい温度になり、食べ物を受け入れる準備ができました。私は温度の読み取りの正確さに懐疑的でしたが、それが食べ物を凍らせている限り気にしませんでした。しかし、1つの問題は、エンジニアリングマインドが落ち着きのないマインドであり、表面上は賢明なデジタル読み出しが点滅せずに私をじっと見つめ、自信を持って私を大胆に発音した後、私は壊れました。キッチンに新しく追加されたこの精度の主張をテストする必要がありました。

温度センサー

産業用アプリケーションで使用される温度センサーにはさまざまなものがあり、それぞれに長所と短所があります。多くのテキストでさまざまな温度センサーの動作が詳しく説明されているため、ここでは詳しく説明しませんが、以下に要約を示します。

熱電対

熱電対は、非常に高い温度を測定するための低コストで適度に正確な方法を提供します。それらは、1821年にThomas Seebeckによって発見されたように、それぞれが異なる金属でできており、異なる温度で保持されている2つの接合部の間に生成される電圧に依存しています。約41μV/°Cの電圧で、1000°Cを超える温度の測定に使用できます。それにもかかわらず、ゼーベック効果は温度の違いに依存しています 2つの接合部の間であるため、「高温」接合部は対象の温度を測定しますが、「低温」接合部は既知の温度に保つ必要があります。皮肉なことに、温度差を測定するために冷接点に別の温度センサーが必要であり、AD8494などの部品がこれを行うための完璧なソリューションを提供します。熱電対は物理的に小さいため、熱質量が小さく、温度変化にすばやく応答します。

RTD

適度な温度（<500°C）を測定するために、測温抵抗体（RTD）が業界で広く使用されています。これらのデバイスは、温度とともに抵抗が正に変化する金属元素、最も一般的にはプラチナで構成されています。実際、PT-100センサーは業界で最も広く使用されているRTDであり、プラチナ（PT）から作られ、0°Cで100Ωの抵抗を持つことからその名前が付けられています。これらのデバイスは熱電対の高温を測定しませんが、非常に線形であり、読み取りは繰り返し可能です。 PT100には正確な駆動電流が必要であり、温度に比例する正確な電圧降下がセンサー全体に発生します。 PT100の接続ワイヤの抵抗により、センサーの抵抗測定に誤差が生じるため、ケルビン検知が一般的であり、3線式または4線式センサーになります。

サーミスタ

低コストのソリューションが必要で、温度範囲が低い場合は、サーミスタで十分なことがよくあります。これらのデバイスは非常に非線形であり、Steinhart Hart方程式に基づく特性を備えており、温度の上昇に伴って抵抗が減少します。サーミスタの利点は、温度変化が少なく抵抗の変化が大きいため、非線形性があっても高精度を実現できることです。サーミスタは、高速の熱応答も備えています。個々のサーミスタの非線形性は明確に定義されているため、LTC2986などのコンポーネントを使用してキャリブレーションすることができます。

ダイオード、どこにでもあるダイオード、ただし（Vbe）Drop toSinkではない…

最後に、新しい世帯員の信憑性をテストするために、シリコン温度センサーを選択しました。これらは箱から出してすぐに機能し、冷接点温度補償や線形化を必要とせず、アナログおよびデジタル出力で利用でき、事前に校正されています。 。しかし最近まで、それらは中程度の精度しか提供していませんでした。電子機器の健康状態を示すには十分ですが、体温などを測定するのに十分な精度はありません。通常、±0.1°Cの精度が必要です（ASTM E1112規格に準拠）。これは、それぞれ±0.1°Cと±0.2°Cの分解能で測定できるADT7422およびADT7320シリコン温度センサーの最近のリリースで変更されました。

シリコン温度センサーは、トランジスタの Vbe の温度依存性を利用します 、Ebers Mollの式で与えられるように、次のように近似されます。

ここで Ic はコレクタ電流です。は はトランジスタの逆飽和電流です。 q は電子の電荷です（1.602 x 10 ^-19 クーロン）、 k ボルツマン定数（1.38 x 10 ^-23 ）および T は絶対温度です。

コレクタ電流の上記の式は、ダイオードの電流にも当てはまります。では、なぜすべてのアプリケーション回路がダイオードではなくトランジスタを使用するのでしょうか。実際には、ダイオードの電流には、電子がpn接合の空乏領域を通過するときに正孔と再結合することによって生じる再結合電流も含まれます。これにより、ダイオードの電流が Vbe で非線形になります。 と温度。この電流はバイポーラトランジスタにも現れますが、トランジスタのベースに流れ込むため、コレクタ電流には現れないため、非線形性ははるかに少なくなります。

上記を並べ替えると

です Ic と比較して小さい 、したがって、 ‘1’ は無視できます 上記の式の項。これで、 Vbe Ic の対数変化に応じて線形に変化します 。 Ic およびは 一定の場合、 Vbe k なので、温度とともに直線的に変化します および q また、一定です。一定のコレクタ電流をトランジスタに流し込み、 Vbe を測定するのは、簡単な作業です。 温度によって変化します。

です トランジスタの形状に関連しており、温度に強く依存します。多くのシリコンデバイスと同様に、その値は10°Cの温度上昇ごとに2倍になります。この電流の変化の影響は「ln」によって減少しますが 関数には、 Vbe の絶対値という問題がまだあります。 トランジスタごとに変化するため、キャリブレーションが必要です。したがって、実用的なシリコン温度センサーは2つの同一のトランジスタを使用し、 Ic のコレクタ電流を強制します。 1つと10 Ic 他に。同一のトランジスタとレシオメトリックに正確な電流は、集積回路で簡単に製造できるため、ほとんどのシリコンセンサーがこのアーキテクチャを使用しています。電流の対数変化により、 Vbe が線形に変化します。 と Vbe の違い 次に、のが測定されます。

上記の式から、2つのトランジスタが同じ温度で保持されている 、 Vbe の違い はによって与えられます

以来

わかります

各トランジスタに異なる電流を流し、 Vbe の差を測定します。 、非線形の Is を削除しました 用語、さまざまな絶対 Vbeの効果 トランジスタのジオメトリに関連する他のすべての非線形効果。 k 以降 、 q および ln 10はすべて一定で、 Vbe の変化 は絶対温度（PTAT）に比例します。電流の10倍の違いの場合、2つの Vbe の違い は、約198μV/°Cの温度で直線的に変化します。これを実現するための簡略化した回路を図1に示します。

図1.温度を測定するための基本的な回路。

図1の電流は慎重に選択する必要があります。電流が高すぎると、トランジスタ内部の内部抵抗の両端で大幅な自己発熱と電圧降下が発生し、結果が損なわれます。電流が低すぎると、トランジスタ内部のリーク電流によって重大なエラーが発生します。

上記の式はコレクターに関連していることにも注意してください。 図1は一定のエミッタを示していますが、トランジスタの電流 トランジスタに注入される電流。トランジスタは、コレクタとエミッタ電流の比率が十分に確立されている（そして1に近い）ように設計できるため、コレクタ電流はエミッタ電流に比例します。

これは物語の始まりに過ぎません。シリコン温度センサーで±0.1°Cの精度を得るには、広範な特性評価とトリミングを行う必要があります。

それは鳥ですか？飛行機ですか？

いいえ、それは超体温計です。はい、それらは存在します。未校正のシリコン温度センサーは、シリコンオイルを満たしたバスに入れ、超温度計で測定して正確な温度に加熱する必要があります。これらのデバイスは、小数点以下5桁以上の精度で測定できます。センサー内部のヒューズを飛ばして温度センサーのゲインを微調整し、式 y =mx + C を使用して出力を線形化します。 。シリコーンオイルは非常に均一な温度を提供するため、多くのデバイスを1サイクルで校正できます。

ADT7422の精度は、25°C〜50°Cの温度範囲で±0.1°Cです。この温度範囲は、38°Cの典型的な人体温度を中心としているため、ADT7422は正確なバイタルサインの監視に理想的です。産業用アプリケーションの場合、ADT7320はトリミングされているため、精度は±0.2°Cですが、-10°C〜 + 85°Cのより広い温度範囲にわたっています。

図2.0.8mm厚のPCBに取り付けられたADT7422

ただし、問題はシリコン温度センサーの校正だけではありません。非常に正確な電圧リファレンスと同様に、ダイにかかるストレスはセンサーの精度を損なう可能性があり、PCB、リードフレーム、プラスチック成形品、露出パッドの熱膨張をすべて考慮する必要があります。はんだ付けプロセスにも独自の問題があります。はんだリフロープロセスにより、部品の温度が260°Cに上昇し、プラスチックパッケージが柔らかくなり、ダイのリードフレームが歪むため、部品が冷えてプラスチックが硬化すると、機械的応力がダイに固定されます。アナログ・デバイセズのエンジニアは、PCBの厚さが0.8mmであることが完璧なスイートスポットであり、はんだ付け後でも±0.1°Cの精度を達成できることを発見するために、何ヶ月にもわたる繊細な実験を費やしました。

ソフトウェアの内部

システムのソフトウェアの大部分は、ADT7320からのデータのフォーマットとLCDへの表示に関係しています。 ADT7320からデータを取得するのは簡単です。プロセッサが初期化されると、CSラインとSCLKラインの両方がハイに設定され、変換間でSCLKラインがハイでアイドル状態になります。次に、CSラインがLowになり、データトランザクションが開始されます。 SPIを使用すると、データはSCLKラインの立ち上がりエッジでADT7320に読み込まれ、立ち下がりエッジで読み取られます。以下のコードは、初期化ルーチンの詳細です。

シリアルインターフェイスをリセットするには、CSラインをローにし、DOUTラインをハイにし、SCLKを40回発振させます。次に、CSラインがハイになります。これにより、40の「1」がADT7320にクロックインされ、シリアルインターフェイスがリセットされます。 SPIバスがリセットされた後、少なくとも500usの遅延が必要です。

次のコードブロックは、コマンドバイトをADT7320に送信して、トランザクションが読み取りか書き込みか、およびアドレス指定するレジスタを通知します。ライン

data =0b00001000;

ADT7320にレジスタ0x01に書き込むように指示します。次に、ADT7320は、ラインを使用して16ビット解像度でデータを出力するようにプログラムされます

data =0b10000000;

DOUTラインは「0」に事前調整され、データバイトのMSBが問い合わせられ、MSBが「1」の場合はDOUTラインがハイに設定されます。 SCLKラインはハイになり、データをADT7320にクロックインします。

 void reset_adt7320（void）/ * ADT7320を初期化します* / {unsigned char n、data; / *シリアルインターフェースをリセットします* / clearbit（PORTA、CS）; setbit（PORTA、DOUT）; for（n =40; n> 0; n-）{clearbit（PORTA、SCLK）; setbit（PORTA、SCLK）; } setbit（PORTA、CS）; delay_10ms（）; / *リセット後> 500us待機する必要があります* / / * 16ビットモードに設定* / clearbit（PORTA、CS）;データ=0b00001000; / *クリアビット6（書き込み）、reg＃001 * / / *コマンドバイトを送信* / for（n =8; n> 0; n-）{clearbit（PORTA、SCLK）; clearbit（PORTA、DOUT）; / *前提条件DOUT * / if checkbit（data、（n-1））{setbit（PORTA、DOUT）; } setbit（PORTA、SCLK）; / *上昇中のSCLKでデータをクロックイン* /} data =0b10000000; / *連続変換、16ビット* / / *データバイトを送信* / for（n =8; n> 0; n-）{clearbit（PORTA、SCLK）; clearbit（PORTA、DOUT）; / *前提条件DOUT * / if checkbit（data、（n-1））{setbit（PORTA、DOUT）; } setbit（PORTA、SCLK）; } setbit（PORTA、CS）;} 

温度データを取得するための関数呼び出しは、次のようになります。ライン

data =0b01010000;

ADT7320に16ビットデータのレジスタ2を読み取るように指示します。

次に、コードはADT7320が温度変換を実行するまで少なくとも240ミリ秒待機します。次に、16ビットの温度データがクロックアウトされ、CSラインがハイに設定されます。

 clearbit（PORTA、CS）; / *データ=コマンドバイト* /データ=0b01010000; / *読み取りモード、レジスタ2 * / / * ADT7320を読み取ります* / for（n =8; n> 0; n-）{clearbit（PORTA、SCLK）; clearbit（PORTA、DOUT）; / *前提条件DOUT * / if checkbit（data、（n-1））{setbit（PORTA、DOUT）; } setbit（PORTA、SCLK）; } delay_150ms（）; / *温度変換* / delay_150ms（）; / *温度データの読み取り* / for（n =16; n> 0; n-）{clearbit（PORTA、SCLK）; if checkbit（PORTA、DIN）{setbit（temp、（n-1））; } setbit（PORTA、SCLK）; } setbit（PORTA、CS）; 

完全なコードセットはこちらから入手できます。

ソーセージは正確にどれくらい寒いですか？

ADT7320を冷凍庫内に約30分間置いて、新しい購入品が落ち着いた温度を確認しました。

図3は、冷凍庫の温度が-18.83°Cであることを示しています。

図3.-18.83°Cでの冷凍庫の温度

食品をこのレベルの温度精度で保管する必要がないことを考えると、これは非常に正確であると考えました。次に、英国の夏の日にオフィスの温度を測定しました。図4に示すように22.87°C。

図4.22.87°Cでの私のオフィスの温度

結論

シリコン温度センサーは長い道のりを歩んできて、非常に正確になり、バイタルサインの監視を高レベルの精度で達成できるようになりました。それらの内部の技術は十分に根拠のある原理に基づいていますが、それらをサブディグリーの精度レベルにするために必要なトリミングにはかなりの努力が必要です。このレベルの精度が達成されたとしても、機械的ストレスとはんだ付けは、何時間ものキャリブレーションから達成されたゲインを簡単に消去する可能性があります。

ADT7320およびADT7422は、PCBにはんだ付けされた後でも、サブディグリーレベルの精度を達成するための長年の特性評価の頂点を表しています。

参考資料

Huijsing、Johan、MichielPertijis。 CMOSテクノロジーの高精度温度センサー。スプリンガー、2006年。
ホロヴィッツ、ポール、ウィンフィールドヒル。 The Art of Electronics 。ケンブリッジ大学出版局、2015年4月。
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AD590データシート。 Analog Devices、Inc.、2013年1月。
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