溫度感測器

溫度感測器測量熱量以確保某個流程或設備保持在特定的溫度範圍內，進而保證在安全環境中持續運行，或者滿足強制性的安全規範。而且這類感測器在溫度極高、存在危險情況以及測量點無法觸及的條件下工作。在溫度感測器市場中，有三種產品占據主要的市場份額，分別是熱電偶、NTC熱敏電阻及電阻溫度檢測器(RTD)，每種產品對於特定應用都具有自身的優劣勢(表1)。 熱電偶成本低/易受雜訊干擾 熱電偶是這類感測器中最簡單的一種，從義大利科學家亞歷山德羅伏特的初次發現以及德國物理學家湯瑪斯澤貝克的重新發現以來，自19世紀末就已經開始使用。他們的研究共同表明，當兩條不同金屬製成的電線在末端連接到一起，而且接頭處存在溫差時，就會產生磁場。隨著溫度的變化，電壓會有所起落(稱為塞貝克效應)。在熱電偶中，電壓和溫度之間的這種關係可以使用參照表來計算得知。 熱電偶的主要優點在於成本極低、溫度範圍廣、耐久性高，並且能夠在不使用電源的情況下發揮功能。缺點則是待測量的物件和熱電偶之間不得存在熱流動，並且會老化，其精度也會受到影響，當電線接觸到水分、化學品或者發生機械干涉時，這一情況尤其明顯。熱電偶也會產生很低的輸出電壓，必須進行放大，而且在長導線上易於受到外部雜訊的影響，當熱電偶的電線遇到訊號電路上的銅線路時，就會產生冷連接(Cold Junction)。 熱敏電阻多用於精密溫控 熱敏電阻—特別是NTC熱敏電阻，由邁克爾 法拉第在1833年命名而來，他發現隨著溫度的升高，硫化銀的電阻會逐步降低。然而，由於熱敏電阻的生產較為困難，應用也比較少。隨著發現後世紀，撒母耳 魯本在1930年取得熱敏電阻的專利時，才開始商品化生產。 熱敏電阻一直受到歡迎，因為它的電阻隨著溫度上升而變化，其解析度也就更大，具有高度的可重複性與穩定性，同時還具備出色的可互換性。其熱品質較低，因而對溫度變化的回應也迅速。NTC熱敏電阻採用經過壓制的盤狀、棒狀、板狀、珠狀或片狀壓鑄半導體材料製成，如燒結金屬氧化物。由於製成品可以符合嚴格的電阻公差和溫度精度要求，NTC熱敏電阻主要用於精密的溫度控制。 NTC熱敏電阻還可以在電源中用作湧流限流器，在此類應用中可提供較高的初始電阻，在主機裝置打開時防止高強度的電流發生流動。升溫後，這種電阻有所降低，允許更多的電流發生流動，使主機裝置正常發揮功能而不會損壞。該應用中的NTC熱敏電阻尺寸要大於溫度測量時使用的熱敏電阻，專為該應用設計而成。相比之下，正溫度係數(PTC)熱敏電阻可作為自恢復的保險絲和加熱器使用。由於此處的討論只與溫度的測量和控制有關，因此關注點在於NTC熱敏電阻。然而，重要的一點在於要認識到PTC與其他裝置的區別在哪裡，以及為什麼在特定應用中會如此有效。 在施加極小的功率或者根本不施加功率的情況下，PTC會處於低電阻狀態，陶瓷的原子會按特定的模式排列，允許一些電子自由流動。在施加了足夠的電壓後，PTC幾乎就可以在瞬間達到180℃左右的轉移溫度(Transition Temperature)，電阻則增加了大約1,000倍，使其成為一種簡單而又有效的自恢復保險絲。去掉電壓後，熱敏電阻會回到低電阻狀態。由於一旦超出轉移溫度，PTC就可以自我調節到一個恆溫，因而可作為加熱器。這種屬性使得無論電壓和環境溫度如何變化，PTC皆可在近乎相同的溫度執行。 熱敏電阻屬於非線性裝置，代表圖中電阻和溫度關係的各個點不會形成一條直線。因此，需要修正資料，例如將熱敏電阻和定值電阻器組合在一起，形成一個可透過ADC達到資料數位化的分壓器。藉由此裝置為電阻器選取了合適的數值後，便可以改變曲線的溫度範圍，讓電阻與溫度的關係圖接近直線，進而滿足應用的需求。 儘管其溫度可以是零功率電阻下熱敏電阻本身的溫度，NTC熱敏電阻通常根據室溫(一般為25℃)下的電阻來指定。零功率電阻指熱敏電阻的功耗較低時，特定溫度下測得的熱敏電阻的電阻值。額外降低的功率將會相當於不超過0.1%的電阻變化數值(或者公差的1/10，取其中較小值)。相對較低溫度下，如-55到70℃的應用，通常會使用電阻較低一些、即200到10,000歐姆的熱敏電阻，而溫度更高的應用則通常使用電阻高於10,000歐姆的熱敏電阻，達到最佳化所需溫度下每度電阻的變化的目的。 熱敏電阻具有許許多多的形狀，比如說盤狀、片狀、珠狀或棒狀，可以採取表面安裝、內嵌到系統中、封裝到環氧樹脂、玻璃或焙乾的酚醛樹脂中，或者還可以塗漆。最佳的形狀往往取決於要監測的材料，例如固體、液體或者氣體。當待測設備不易接近或者難以觸及時，熱敏電阻還可以連接到電纜上。在這種情況下，NTC熱敏電阻收納在一個連接到裝置上的環形端子中，另一端則有一個連接器，用於附著到控制器。這些元件使用的電纜專為該應用而設計。電纜長度可指定為100到9,999毫米，並且還可以指定從1,000歐姆到10萬歐姆的各種Beta值和電阻值。 熱敏電阻的成本各不相同，部分與精度有關。成本極低的熱敏電阻僅可保證在單一溫度下工作，在幾度的實際值範圍內(保證的溫度下)提供基本的指示功能。昂貴一些的熱敏電阻則可在範圍極廣的溫度下保證達到幾分之一度的精度。在典型應用中，控制器可監控熱敏電阻的溫度。流過該裝置的微小偏置電流會送到控制器，控制器則使用電源來將偏置電流施加到整個熱敏電阻上，獲得控制電壓。當測得的溫度低於或高於一個指定的範圍時(設定點)，控制器將執行指定功能，如開關風扇或者其他的裝置。 RTD穩定性高/可重複作業 RTD採用的是電阻值隨溫度發生變化的電阻器。RTD具有非常高的精度、可重複使用且高度穩定，薄膜型可用於範圍從-50到500℃的溫度，繞線型則可用於-200到850℃的溫度範圍。薄膜型RTD的元件包括基板上形成的一薄層的鉑，建立起的形狀可形成一個電路，該電路經微調後產生特定的電阻。該元件採用了塗層處理，可保護薄膜和連接位置。相比之下，繞線元件是封裝在陶瓷管或玻璃管中的線卷，或者是繞著玻璃或陶瓷材料的線卷。 RTD元件具有較高的熱品質，因而與熱電耦和熱敏電阻相比，檢測溫度變化的速度較慢。儘管只需兩根銅線即可將RTD連接到電路，但是根據周圍的溫度，銅線的電阻會產生微小的變化，因此大多數的RTD中都整合了第三根線，以使控制器修正這類變化。最精確的RTD使用了鉑材料，提供的電阻從100到1,000歐姆，稱為PT100和PT1000型。鉑材料的RTD對於溫度變化具有近乎線性的回應，穩定性很高且極為精確，可重複作業，並且溫度範圍極廣。由於價格較為昂貴，所以僅在需要最高精度的情況下使用。 以方程式計算電阻與溫度關係 用於指定熱敏電阻的基本值稱為Beta(β)，表示隨熱敏電阻中電阻和溫度間的關係而發生變化的曲線形狀，在指定具體類型時是關鍵係數。度量單位是克爾文(K)，遵循以下方程中定義的規則：   其中： ΔR=電阻變化 ΔT=溫度變化 k=電阻的一階溫度係數 如果k值為正，則電阻隨著溫度的上升而增大，因而熱敏電阻可稱為正溫度係數熱敏電阻；如果k值為負，則電阻隨著溫度的上升而減小，並且裝置稱為負溫度係數熱敏電阻。只要指定Beta值，就可以根據應用所需的電阻，在給定溫度下實現相應的熱敏電阻特性。也就是說，可以決定特定溫度下熱敏電阻的電阻必須是多少。 可以利用兩種方式來確定NTC熱敏電阻的Beta值。第一種方式是使用以下四個分量進行計算： 其中： RT1=溫度1下的電阻(歐姆) RT2=溫度2下的電阻(歐姆) T1=溫度1(K) T2=溫度2(K) 使用該方法，可以利用兩個溫度(RT1和RT2)來計算出NTC熱敏電阻的Beta值，但是僅可在一個很窄的溫度範圍內確保準確性。另一種更準確的方法就是使用斯坦哈特-哈特(Steinhart–Hart)方程式，得到的值會更接近實際溫度，在熱敏電阻的整個工作溫度範圍內都很有效。如果熱敏電阻製造商的資料表上未提供斯坦哈特-哈特係數，則可以測量具體溫度下的三個電阻，然後透過三個聯立方程式運算，進而得出這些係數。該過程如下所示：   其中： T=溫度(K) LnR=熱敏電阻測得電阻的對數 A、B和C=隨著熱敏電阻的類型和型號以及所需溫度範圍而變化的斯坦哈特-哈特係數。 如上所述，係數A、B和C是利用取熱敏電阻在三個溫度下的電阻並且求解三個聯立方程式而得到的。例如： T1=0℃，10,000歐姆熱敏電阻的電阻R1為32,803歐姆時。 T2=50℃，10,000歐姆熱敏電阻的電阻R2為3,603歐姆時。 T3=100℃，10,000歐姆熱敏電阻的電阻R3為685.7歐姆時。 1/T1=A+B(LnR)+C(LnR) 1/T2=A+B(LnR)+C(LnR) 1/T3=A+B(LnR)+C(LnR) 常數A、B和C的值為： A=0.001100669397 B=0.000238957307 C=0.00000006722278769 表2所示為對於10,000歐姆熱敏電阻在25℃下進行該計算時的誤差。 另一個Beta公差的因數描述了某一零件的實際曲線，在貼近按Beta值定義的標定曲線時距離有多近，用於描述點符合的零件。點符合的熱敏電阻，用於要求特定的電阻值與特定的溫度相符合的應用。決定Beta值的其中一個因素，是裝置中使用的各種金屬氧化物的成分和結構以及製造工藝中的變數。這樣一來，在生產批次當中以及在生產批次之間，每個單元之間都會存在變化。對於珠式的熱敏電阻來說，Beta公差通常為±1%到±3%的階數(某些材料可以達到±5%)。對於金屬化表面觸點類型的熱敏電阻來說，Beta公差的範圍將從±0.5%一直到±3%。 NTC熱敏電阻的製造商會為他們的每種產品提供電阻或者電阻比與溫度的對照表格。目前有大量形形色色的材料系統正在使用，每個系統對於可以製造的熱敏電阻的類型、熱敏電阻的尺寸、作業和儲存的溫度範圍以及可用標稱電阻值的範圍來說，都提出了特定的限制。 熱敏電阻的可互換性是一個重要的考慮事項，定義為熱敏電阻在一定溫度範圍內貼近已公布的電阻曲線時的接近程度如何。公布的電阻曲線可視為絕對精度，因此可互換性就是與該點的偏差。在效能不發生降級、並且每次更換後毋需對電路中的每個感測器元件進行校準的情況下，熱敏電阻有多麼符合這一點的要求，可決定零件的互換效能如何。然而必須注意，可互換的熱敏電阻包含了其規格範圍內的Beta公差，因此根據可互換性確定了相對於絕對標稱曲線的精度後，所以可互換的零件上就不再存在Beta公差。 評估熱敏電阻安全 為最終使用者選取適宜的溫度監控與溫度控制裝置看起來似乎非常簡單，在選用並安裝到系統之前並不需要多少知識。然而，正如本文所示，指定使用熱敏電阻的實際要求要多得多，如果未能根據預計用途來對裝置進行評估，則會造成故障、設計為其服務的系統發生破壞，甚至還可能起火以及/或者對產品或系統周圍的人員構成危險。事實上，熟悉這類重要的溫度管理裝置並不需要很多的時間，並且可帶來重大回報，十分值得投入。 (本文作者Debashis Sarkar為Molex進階工程經理；Rahul Bbhaskar則為Molex產品設計進階工程師)

2019年底開始，新聞偶有中國SARS捲土重來的零星報導，但多數人不以為意，直到2020年1月23日，華人準備歡度每年最重要的農曆春節之時，人口千萬的武漢市宣布因為傳染病加劇而「封城」，之後大陸其他城市也陸續採行形同武漢的「封閉式管理」，身為世界工廠的中國，在春節假期後彷彿被按下暫停鍵，許多工廠無法復工生產，這幾十年的全球化與自由經濟被打上大大的問號，高科技產業斷鏈的疑慮持續加深。 專業分工是全球化的一大重點，高科技半導體產業更是完美實踐此一原則的模範生，最近幾十年來的流行性傳染病，最嚴重的當屬2003年的SARS，很少有現代人會意識到比其更嚴重的疫情流行狀況，在近年經濟第一的大旗之下，部分重要的零組件或原物料停止供應就會影響整個產業鏈。1、2月的大陸與3、4月的歐美疫情，分別打擊供給與需求兩端，產業研究機構因而紛紛對新冠疫情(COVID-19)的影響發表看法。 疫情衝擊超乎預期 截至2020年4月底，COVID-19疫情嚴重的程度相信是當世人所僅見，全球感染人數已經超過270萬，死亡人數突破19萬；其中，最嚴重的美國感染人數已經接近87萬，死亡人數將近5萬。由於病毒感染力強，全球真正變成生命共同體，醫界說的「群體免疫」成為解決疫情最可能的途徑，但在沒有疫苗的狀況下，達成70億人中六~七成感染的時間可能要數年，在這之前全球經濟體系恐怕已經先崩潰。 當年在台灣造成震撼的SARS，最後因為季節變化讓病毒自然消失，新型冠狀病毒對氣候的適應能力看來更加升級，所以目前人類對於這個病毒還真的是「無藥可施」。因此，在疫情緩和之前，隔離與防堵是目前為止最有效的做法，居家令、保持社交距離現階段影響超過數十億人，對產業發展也帶來極為不利的走向。國際貨幣基金(IMF)指出，預料全球經濟活動衰退程度將是1930年代經濟大蕭條以來少見的嚴重衝擊，2020年會有170個國家出現人均收入下滑。 因此，2020年再次出現產業分析師滿地撿眼鏡碎片的情況，如Gartner年初時預估半導體市場年度成長率為12.5%，後來下修至9.9%，直到歐美疫情一發不可收拾，再度修正到衰退0.9%；而IC Insights原先預測成長8%，3月因應中國的疫情影響，下修到3%，4月再因為全球大爆發下修到衰退4%。而IDC原先就預估相對保守的成長1.7%，該單位指出若3月底到4月初疫情獲得控制，2020年全球半導體將呈現衰退6%的情況，若影響時間延後到第三季，產業將出現大幅衰退12%的狀況。 疫情帶動醫療/宅經濟/5G需求 儘管不斷有黑天鵝壟罩，但相對之下也有商機與需求應運而生，工研院產科國際所產業分析師黃慧修表示，線上消費取代實體店面消費，帶動筆電、平板、資料中心等需求；雲端運算需求增加，也一併拉抬伺服器出貨轉強，預期2020年第二季，伺服器DRAM與固態硬碟(SSD)的需求會增加。應用部分，醫療、宅經濟與新興領域需求亦提升。 醫療設備包括耳(額)溫槍、呼吸器等在這波疫情中需求強勁，這些設備中的電子元件如：防疫醫療器材微控制器、溫度感測器、醫療呼吸器用晶片等需求都提高，國內微控制器廠如紘康、松翰、盛群等，因疫情影響帶動測溫設備的市場需求，承接訂單已超越2019年出貨量。另外，宅經濟帶動處理器、記憶體、遊戲運算晶片、遊戲機音效晶片與感測元件的出貨。另外，5G與AI則是受惠的新興領域，其中中國5G的推動不受疫情影響，甚至在政策的刺激之下有加速的傾向。 半導體生產受輕傷　消費性需求受重傷 歐美由於在3、4月疫情快速升溫，而且嚴重程度大幅超越中國，許多IDM廠位於歐美的產線受到影響；IC設計公司較容易安排居家工作因此整體影響幅度在半導體產業中相對輕微；IC封測產線，主要集中在台灣、韓國、大陸、新加坡等地，受到疫情影響的程度較低(圖1)。 圖1　全球IC製造在各疫區產能比重 目前看來，半導體生產面的影響與損失屬於可控制的狀況，但需求端受到的衝擊更大，尤其消費性電子的需求將持續降低，需待疫情獲得控制後，才有望緩步回升，而需求回溫的情況也將視未來疫情控制的狀況而定。此次疫情最嚴重的幾個國家，到目前為止都是經濟或整體國力較佳的國家，這也代表面對看不見的病毒與未知的疾病，必須要更謹慎對待，若是為了怕傷害經濟發展而延遲採取管制措施，恐怕會遭受疫情爆發拖累醫療體系反而導致經濟更大規模的傷害。疫情終究會過去，地球有一天會恢復健康，在我們大病初癒那天，我們應該留下甚麼？學到甚麼？防範甚麼？記住甚麼？是現階段大家應該好好思考的。

意法半導體(ST)新推出的STTS22H溫度感測器具備0.25°C典型測量精度，低工作電流與低待機電流，可提升資產追蹤器、集裝箱運輸記錄器、HVAC暖通空調系統、空氣加濕器、冰箱、大樓自動化系統和智慧消費等裝置的溫度和熱流監測功能。 STTS22H與I2C和SMBus 3.0匯流排相容，並提供多種彈性的工作模式，包括最低速率1Hz的可配置輸出資料速率(Output Data Rate, ODR)和省電的單次測量模式，中斷腳位支援SMBus警示回應位址(Alert Response Address, ARA)。如果測量值超出使用者所設定之上限或下限溫度，感測器將會透過中斷腳位向應用發出訊號。I²C/SMBus的裝置位址是可以設定的，同一條匯流排最多可連接兩個STTS22H感測器。 本感測器的功耗非常低，1Hz ODR模式僅消耗2.0µA的電流，週期性單次測量功耗只有1.75µA，其有助於延長電池供電裝置的續航時間。在串列介面關閉的待機模式下，STTS22H僅消耗0.5µA(典型值)的電流。而1.5-3.6V的工作電壓範圍讓感測器可使用各種電源(例如小型鋰電池)。 該感測器處理速度十分迅速，轉換時間為5ms，並提供16位元溫度資料。該封裝具有一個熱阻極低的金屬塊，以確保快速測量環境溫度。該感測器在出廠前已經過校準，在-10°C至60°C範圍內，典型精度可保持在0.25°C，無需使用者校準。 STTS22H現已量產，其採用2.0mm×2.0mm×0.5mm 6引線UDFN高功率密度的薄型封裝。

Maxim宣布推出MAX30208溫度感測器及MAXM86161心率監測器，幫助設計者輕鬆創建下一代可穿戴醫療和健康產品。其中，MAX30208可將溫度測量功耗降低50%，MAXM86161可將光學方案尺寸縮減40%。此外，設計工程師憑藉MAXM86161的最高訊噪比(SNR)特性，有效提高測量靈敏度和精度。 MAX30208臨床級數位溫度感測器支援新型可穿戴醫療和健康產品設計，功耗降低50%；MAXM86161入耳式心率監測儀提供業內最佳SNR、最低功耗，方案尺寸減小40%，適用於心率和血氧飽和度的連續監測 對於可穿戴醫療和健康監測設備來說，消費者需要更高精度地測量體溫和心率等生命體徵訊號，而產品設計者往往受到小尺寸、電池供電、穿戴式設計等因素的制約。Maxim的兩款新型醫療用感測器可提供更高的測量精度，是連續監測體溫、心率、血氧飽和度(SpO2)等生命體徵訊號的理想選擇。 MAXM86161入耳式心率和脈搏血氧監測器是當前市場上尺寸最小的完整解決方案，提供心率和SpO2的高精度測量，適用於耳戴式等其他可穿戴應用。該元件為入耳式應用量身打造，擁有業界領先的小尺寸優勢(比最接近的競爭產品小40%) ，並提供最佳的SNR (針對限頻段訊號的PPG應用，比最接近的競爭產品提升3dB)，支援廣泛的開發應用。MAXM86161功耗相比競爭產品降低約35%，有效延長可穿戴設備的電池壽命。此外，整合了完備的類比前端(AFE)，無需外部使用AFE晶片或連接光學模組。 MAX30208數位溫度感測器提供臨床級溫度測量精度(±0.1°C)，可快速回應溫度變化。元件還滿足智慧手表和醫療貼片等小尺寸、電池供電應用對功耗及尺寸的嚴苛要求，有效簡化了可穿戴醫療產品中的電池供電和測溫設計。與競爭產品相比，該產品非常容易使用，可透過設備頂部測溫，無需受到自身散熱干擾。MAX30208支援多達4個I2C位址，允許在同一IC匯流排上掛接多個感測器。MAX30208可安裝到PCB或柔性印刷電路板(FPC)。 MAX30208在30°C~50°C溫度範圍內可實現 ±0.1°C測量精度，有效避免自熱效應，這是競爭產品中影響測量精度的關鍵因素。MAXM86161可有效抑制環境光，實現更高測量精度，擁有行業最高SNR(Nyquist SNR為89dB；平均值為100dB SNR)。此外，Maxim還提供運動補償演算法，進一步提高測量精度。 為延長可穿戴設備的電池壽命，MAXM86161的功耗比最接近的競爭產品低大約35%，工作電流低於10μA (典型值@ 25sps)，關斷模式下為1.6μA。與最接近的競爭產品相比，MAX30208在典型應用條件下的功耗僅為一半(主動模式下的工作電流僅為67μA，而競爭對手為135μA)。 MAXM86161採用OLGA封裝(2.9mm×4.3mm×1.4 mm)，比最接近的競爭產品小40%。MAXM86161包含3個LED，紅光和紅外光用於SpO2測量，綠光用於心率測量；MAX30208採用10接腳薄型LGA封裝(2mm x 2mm x 0.75mm)。 IDTechEx Research首席分析師James Hayward表示，可穿戴設備的市場需求正在持續上升，預計全球市場規模將從2019年的564億美元增長到2022年的783億美元，4年複合年增長率 (CAGR)為13%。主要增長動力包括智慧手表和入耳式產品的快速增長、演化所產生的附加值，以及醫療領域的專用可穿戴設備的普及。