文章來源：芯學(xué)知

原文作者：芯啟未來

本文主要講述MEMS中的三種測溫方式。

在集成MEMS芯片的環(huán)境溫度測量領(lǐng)域，熱阻、熱電堆和PN結(jié)原理是三種主流技術(shù)。熱阻是利用熱敏電阻，如金屬鉑或注入硅的溫度電阻系數(shù)恒定，即電阻隨溫度線性變化的特性測溫，電阻變化直接對應(yīng)絕對溫度，需恒流源供電。熱電堆基于塞貝克效應(yīng)，多對熱電偶串聯(lián)將溫差轉(zhuǎn)為電壓，冷端溫度需獨(dú)立測量以推算目標(biāo)溫度，在MEMS芯片中采用多晶硅/鋁熱電偶堆疊于氮化硅懸膜，熱端吸紅外輻射，冷端錨定襯底。PN結(jié)測溫是半導(dǎo)體PN結(jié)在恒定正向電流下，結(jié)壓降與絕對溫度成反比（約-2mV/℃），電壓或數(shù)字碼對應(yīng)絕對溫度，無需外部參考。

高精度工業(yè)監(jiān)控選鉑電阻方式測溫，優(yōu)勢是寬溫域（-200~800℃）、長期穩(wěn)定性好，但是功耗與成本敏感場景需謹(jǐn)慎，需注意自熱效應(yīng)導(dǎo)致的誤差。適合電力設(shè)備或高溫反應(yīng)釜監(jiān)測，例如化工反應(yīng)釜內(nèi)溫度通常在-50~500℃，且需精確控制（如聚合反應(yīng)需±0.5℃以內(nèi)誤差）。此時選擇PT100熱電阻，因其測溫范圍覆蓋-200~850℃，精度達(dá)A級（0.15℃+0.002|t|），且抗振動、耐腐蝕（封裝后），可長期穩(wěn)定工作。

非接觸測溫應(yīng)該選熱電堆測溫方案，優(yōu)勢是無需物理接觸，但需要冷端集成方案，提升補(bǔ)償實(shí)時性。適用于醫(yī)療額溫槍、家電防燙（如電陶爐），例如高壓電機(jī)表面測溫，電機(jī)運(yùn)行時帶電，無法接觸，且需實(shí)時監(jiān)測是否過熱（50~150℃）。熱電堆傳感器可安裝在距離電機(jī)10~30cm處，通過紅外輻射快速捕捉表面溫度，避免觸電風(fēng)險(xiǎn)。

能效優(yōu)先的嵌入式系統(tǒng)選PN結(jié)測溫，優(yōu)勢是超低功耗和數(shù)字接口（I2C/單總線），但是高溫場景無法勝任。CPU溫度監(jiān)測，電腦CPU工作溫度在40~100℃，需實(shí)時反饋溫度以調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。CPU內(nèi)置的PN結(jié)傳感器體積僅微米級，可直接貼附在核心芯片上，0.01秒內(nèi)響應(yīng)溫度變化，成本極低（集成在芯片內(nèi)無需額外成本）。鋰電池內(nèi)部測溫，鋰電池充放電時溫度需控制在-20~60℃，防止過熱起火。PN結(jié)傳感器可嵌入電池電芯內(nèi)部（體積小不影響結(jié)構(gòu)），高靈敏度捕捉微小溫度變化（如充放電時0.5℃的波動），配合BMS系統(tǒng)及時斷電保護(hù)。