温度测量传感器的类型、特性及其应用

现在很少见到未通过测量或模拟进行过广泛热评估的电子设备。不可避免地，测量了器件连接点或外壳或外壳，以确保系统能够按照预期的规格运行。

快速查看与引线中的应力相关的方程式，以及可靠性计算中使用的加速因子将说明温度在电子设备中起着如此重要作用的原因。

方程式1和2清楚地说明了温度在操作中的线性或指数关系n个电子元件。仿真工具广泛用于当今的热设计中。然而，由于电子封装的复杂性和所用材料的复合性质，必须验证模拟数据。在本文中，我们介绍了不同的传感器及其在电子热管理中的应用领域。

传感器或探头温度敏感参数接触方法备注电阻器电气恒定电流下的电阻或电压直接接触通常针对热电偶校准热电偶开路电压直接接触用作“点”传感器二极管或晶体管电压，通常具有恒定的正向偏置电流直接接触通常用于测量有源器件或IC温度红外线或辐射探测器电压现场或光学接触产生温度图或图像。除非在所有图像点都知道样品发射率，否则不是严格定量的荧光检测器检测器电压直接接触（接近）近似点检测器;接触电阻问题液晶颜色直接接触产生温度图;半定量，除非进行详细的校准以量化颜色与温度的关系

1 - 电阻温度计

《 p》使用这些传感器，传感元件的电阻随温度变化。传感器有两种主要形式：热敏电阻（轻掺杂半导体）和金属电阻。等式3和4分别代表这两个传感器的电阻和温度之间的关系：

图1显示了表面贴装的RTD（电阻）可以安装在表面上进行温度测量的温度探测器。

图1：表面贴装RTD（由RDF公司提供）。

使用这些类型的传感器时必须考虑以下因素：

传感器（电阻器）必须与试样紧密接触 - 建议使用焊料或小心环氧树脂。/li》

传感器必须放置在等温区域 - 传感器上的温度恒定。

电阻器功耗（如果处于电压模式）必须最小化，以免影响问题。

该传感器适用于零件级测量，因为它可以直接嵌入模具中。

2 - 热电偶（TC） ）

这些传感器远远不是现场最常用的设备。广泛的灵活性和广泛的可用性使其可用于各种温度测量。 TC的工作原理是，将两根不同元素或合金的导线组合在一起会因温度而产生电压。公式5给出了TC的控制原理：

其中，

VTC =热电偶产生的电压

aA，B =导线A＆amp;的塞贝克系数。 B

T =温度

表2显示了电子热测量中使用的一些典型TC类型。

类型材料A材料B V输出（μV）范数。错误的。 ±ºC备注B铂--30％铑铂-6％铑1 0在50ºC以下无效;最适合高温测量E镍铬合金铜镍合金62 1.7非常适合低温测量J铁不同的铜镍合金51 2.2铁P腿受杂质中塞贝克系数变化的影响K镍铝合金（Alumel）镍铝合金（Alumel）40 2.2非常受电子冷却实验的欢迎R铂金-13％铑铂7 5非常稳定的S铂-10％铑铂7 5 T铜铜镍合金40 1铜腿可以创造表面温度测量中的传导路径（fin）

表2：热电偶类型及其各自的电压输出 2

在上面显示的TC类型中，E，J， K和T是最常用的。市场上的许多热电偶仪表可以互换使用所有这些传感器。那是因为这些TC的电压输出在同一范围内;因此，内部电子设备可以设计成适应每个电子设备。

每种传感器类型都有一些独特的功能需要知道。例如：

E型 - 虽然准确，但范围有限

J型 - 不应在潮湿的环境中使用，因为铁的成分是TC会氧化，导致输出错误

K型 - 虽然广泛使用，如果导线扭结，电压输出会受到负面影响

T型 - 可以是有效的热量传输介质，由于其铜成分，无论是作为翅片还是导体

同样重要的是要注意热电偶测量两根导线连接点的温度。结点越小，可以获得的温度读数越精确。大的TC结将导致温度在整个区域内平均。如图2所示，多个结将产生相同的影响。

在图2中，由于在点焊端部之前扭曲导线而产生的多结（TC上的右），创造一个明显更大的交界处。无论是测量表面温度还是流体温度，该TC报告的数量都会报告超过2-3 mm结温的平均温度。

热电偶误差可归因于以下几个方面：

连接不良

电镀操作

热分流

电气噪声

测试仪引起的安装问题

图2：单结和多结热电偶传感器。 3

错误如上所列，电噪声是一个独特的问题，特别是在今天的高频设备中。 TC可以以4线格式使用，以解决可能影响报告温度的电子噪声。使用4线热电偶，如图3所示，我们可以测量温度和电噪声。

让我们考虑一个由铁和康斯坦组成的J型热电偶。所有四根导线均点焊在一起形成TC结。可以通过Iron和Constantan组合中的任何一个读取温度，并且可以通过两个铁杆或两个Constantans读取电子噪声。由于两种相似的金属不能产生塞贝克效应（将热差转换为电压），因此在这些导线上测量的任何信号都是测量域中的电子噪声。

图3：用于测量电子噪声和温度的四线热电偶系统。

测量表面温度始终是一个具有挑战性的过程。以下步骤将有助于提高此类测量的准确度：

保持安装尺寸尽可能小

为减少传导错误，请将热电偶线远离接合点，至少20线径的等温线

将测量接头尽可能靠近表面定位

为避免对流或辐射传热的变化，设计安装使其成为可能

将测量接头与表面之间的热阻降低到尽可能低的值

《 - 》 3 - 二极管或晶体管

二极管和晶体管是电气特性与温度相关的部件。二极管广泛用于温度测量，既可以作为功能器件中的嵌入式传感器，也可以作为热测试芯片。图4显示了一个用于器件级仿真的热测试芯片。

图4：用于器件级仿真的热测试芯片。

以下描述了使用半导体材料进行温度测量的一般注意事项：

每个半导体器件至少有一个电气参数是温度的函数

热测试芯片使用半导体器件的热敏参数来测量芯片结温

通常使用单独的加热和传感元件来避免电气开关的需要

传感器的热校准设备是必要的

热测试芯片提供了一种在实际封装配置中测量芯片结温的有效方法

材料的使用取决于预期封装应用的可用性/适用性

4 - 红外热像仪

红外热像仪的工作原理从加热表面发射的IR波。红外系统捕获波，并根据内部校准将其转换为温度。

基于红外的测量需要以下内容：

红外成像系统 - 市场提供了广泛的范围，但一个有价值的系统起价约为30-70，000美元。对于红外显微镜（仅低至5毫米 - 红外波长的下限），系统起价为180美元

信号处理设备

发射率知识 - 如果试样必须涂上已知的发射率材料

校准

图5a和5b显示了发热表面的典型红外图像。

《图5a和5b：强制（a）和自然（b）对流中电路板的红外图像。 3

使用红外热像仪进行温度测量时，以下几点值得注意：

应用精度是发射率的函数

测量情况必须与实际环境重复，

红外热像仪对反射辐射敏感

二氧化碳和水蒸气吸收大量能量并可能导致严重错误

li》

在电子应用中，表面通常具有不同的发射率。因此，必须在测量已知发射率（黑色涂料或粉末）之前使发射率均匀。

在大多数IR设备中，温度读数是一个区域的平均值。因此，作为积分的结果，可以忽略温度峰值。为了纠正这种情况，必须使用更好的红外光学器件来减少发生积分的区域。

5 - 光学探头

光学传感器是发光器件，照亮了测试体具有源辐射，并可以检测反射辐射，或模拟辐射，如荧光。虽然没有广泛使用，但光学探针用于芯片或元件级。图6显示了一个这样的探头。

图6：用于表面温度测量的光学探头 - 探头接触表面或捕获来自经过荧光处理的表面。

6 - 液晶热成像

LC热成像技术基于从LC材料处理过的表面反射的可见光。系统捕获反射波长，并根据内部校准将其转换为温度。液晶（LC）是胆甾型材料。当应用于加热表面时，它们重新对准并反射不同波长的光。反射光显示彩虹中的标准颜色。图7显示了LC在IC上的应用。

图7：IC上应用的液晶的彩色显示。蓝色显示电路最热点，黑色显示温度超出晶体材料范围。 3

以下是LC材料的显着特征：

液晶是有机化合物，可以像液体一样倾倒;

LC光学特性的变化可以通过外部应用的场（例如，电，磁和热）产生。

胆固醇液晶逐渐显示出所有颜色在其事件温度范围内加热时的可见光谱

事件温度范围的宽度和位置可通过选择和混合适当的液晶来控制

液晶可在市场上买到温度范围从0ºC到160ºC，范围从1到50ºC

LC热成像系统（如图8所示）可以提供非常有效的温度测绘系统。

图8：用于宏观和微观（低至1μm）表面温度测量的thermVIEW™系统。 4

图9显示了LC热成像的典型结果水平。

图9：Tambient = 25oC时内存芯片（5 x 5 mm）的温度分布，如液晶热成像所示。 sup》 3

与任何其他温度测量系统一样，LC热成像提供了明显的优点和缺点。 LC热成像的一个显着优点是它不依赖于表面发射率。第二个是微米级和亚微米级，虽然不是一项微不足道的任务，但LC热成像技术可以实现更轻松，更低成本的温度测量，同时实现1μm或更小的空间分辨率。 LC热成像的一个缺点是它不是像IR那样的拾取和测量系统。必须将校准的液晶材料施加到表面上以进行测量。然而，这与IR系统类似，因为如果测量表面具有多发射率（例如，模具或PCB），则需要使表面发射率均匀。

在本文中，我们回顾了六种不同的探针/温度测量技术。如果没有在校准中加入一个词，那将是错失的机会。无论使用何种类型的测量和传感器，校准都至关重要。特别注意校准过程并确保传感器已正确校准。此外，需要确保所选择的传感器适合于测量类型。正如弗兰克怀特教授在他的粘性流程书中指出的那样，“糟糕的数据比没有数据更差”。