車內(nèi)溫度控制和引擎監(jiān)控等汽車應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。設(shè)計(jì)時(shí)慎重考慮傳感器選型則可以在不增加成本的情況下利用新技術(shù)來提高性能。
對于許多應(yīng)用而言,存在著比傳統(tǒng)熱敏電阻更先進(jìn)的技術(shù),而傳統(tǒng)技術(shù)往往只是因?yàn)橄惹霸O(shè)計(jì)中一直采用而被頻繁使用。
使用硅技術(shù)制造溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)最佳可靠性的方法之一,因?yàn)檫@種傳感器的行為與硅本身一樣穩(wěn)定。例如,基于硅的傳感器在長達(dá)50年的時(shí)間內(nèi)漂移量甚微。精確的半導(dǎo)體制造技術(shù)使傳感器具備高度的可再生產(chǎn)性。
硅的另一大優(yōu)勢在于,傳感器能夠充分利用集成電路的封裝和大批量制造原理。這對當(dāng)今汽車應(yīng)用尤為重要,因?yàn)樾⌒突头庋b已經(jīng)成為其主導(dǎo)趨勢。
硅溫度傳感器還具有正溫度系數(shù),其電阻隨溫度升高而增大,從而能提供故障防護(hù)功能。
制造穩(wěn)定、高度線性且耐用的硅溫度傳感器的方法之一是利用擴(kuò)散電阻原理(圖1)。
圖1:“擴(kuò)散電阻”器件提供圓錐形電流分布。
芯片尺寸約為500x500x240μm。芯片的上表面覆蓋著二氧化硅絕緣層,上有一個(gè)直徑約為20μm的金屬化切割孔。整個(gè)底面都經(jīng)金屬化處理。
這種排列通過晶體提供圓錐形電流分布,因而得名為“擴(kuò)散電阻”。此類排列的主要優(yōu)點(diǎn)在于,傳感器電阻對制造公差的依賴程度有顯著降低。
靠近金屬化孔的區(qū)域決定了電阻的主要部分,因此電阻的構(gòu)建獨(dú)立于硅晶體的尺寸公差。擴(kuò)散到金屬化表層下面晶體內(nèi)的n+區(qū)域則降低了金屬-半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)處阻擋層的效應(yīng)。
但這種配置與極性高度相關(guān),并且需要徑向引線封裝。有時(shí)還會(huì)在安裝傳感器時(shí)引發(fā)一些問題,因?yàn)槠錁O性并非總是那么明顯。
要成功解決此問題,可以串聯(lián)兩個(gè)極性相反的傳感器,如圖2所示。采用這種配置后,傳感器的電阻將與電流方向無關(guān)。
圖2:兩個(gè)極性相反的傳感器的串聯(lián)。
但單傳感器排列在一些應(yīng)用中也具備優(yōu)勢。例如,結(jié)構(gòu)簡單的特性使得該傳感器能以緊湊的SOD68(DO-34)封裝進(jìn)行生產(chǎn)。另一重要優(yōu)點(diǎn)在于其工作溫度最高可達(dá)300℃,而非硅傳感器通常的150℃。
這在單傳感器件用金屬觸點(diǎn)正極偏置時(shí)即可實(shí)現(xiàn)。最高溫度之所以能提高,是因?yàn)榻鹩|點(diǎn)上的正電壓極大地降低了上部n+擴(kuò)散層中的空穴濃度。
擴(kuò)散電阻技術(shù)是恩智浦半導(dǎo)體KTY系列硅溫度傳感器的基礎(chǔ)。該技術(shù)能夠進(jìn)行高度精確的溫度測量,因?yàn)樗鼈兛梢栽谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)真正線性的溫度系數(shù)(圖3)。
圖3:擴(kuò)散電阻傳感器的線性特性(恩智浦半導(dǎo)體公司的KTY 81/82)。
隨溫度而變化的電阻值可以用與類型有關(guān)的常數(shù)A和B來計(jì)算。在需要更高線性度的場合,可以很方便地添加線性化電阻器。
由于溫度系數(shù)為正,傳感器在系統(tǒng)過熱時(shí)可以執(zhí)行故障防護(hù)功能。此外,硅特性天性穩(wěn)定,因此KTY傳感器具備極高可靠性和極長的使用壽命。
KTY溫度傳感器的應(yīng)力測試表明,傳感器在接近最高溫度的條件下工作10,000小時(shí),典型漂移量僅。
然而這些傳感器通常的工作溫度僅為規(guī)定最高溫度的一半,因此根據(jù)對真實(shí)環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)推斷,這種低漂移量可以保持450,000小時(shí)(51年)。
恩智浦為汽車設(shè)計(jì)工程師們提供了當(dāng)今選擇范圍最廣的硅溫度傳感器,公司根據(jù)封裝、標(biāo)稱電阻、公差和工作范圍劃分出了豐富的產(chǎn)品系列。KTY81和KTY82系列使用雙傳感器技術(shù),適用于與極性無關(guān)的檢測場合。
KTY83和KTY84系列采用專為在油或水之類的液體內(nèi)使用而設(shè)計(jì)的密封玻璃封裝。KTY84系列的工作溫度高達(dá)300℃,是排氣和加熱系統(tǒng)的理想選擇。
KTY傳感器還有(玻璃或塑料和SMD(塑料))引線式封裝可供選擇,如圖4所示。
圖4:不同封裝提供了設(shè)計(jì)靈活性。
得益于高精度和卓越的長期穩(wěn)定性,采用擴(kuò)散電阻技術(shù)的KTY系列硅傳感器將成為基于負(fù)溫度系數(shù)(NTC)或正溫度系數(shù)(PTC)技術(shù)的傳統(tǒng)傳感器的有力替代品。
它們的主要優(yōu)點(diǎn)是:
1. 長期穩(wěn)定性；
2. 基于硅批量處理技術(shù)；
3. 近似線性的特性。
汽車應(yīng)用包括油溫檢測、引擎冷卻、車內(nèi)溫度控制和柴油噴射等。表1顯示了恩智浦公司適用于汽車應(yīng)用的系列解決方案。
表1:恩智浦公司提供的一系列硅溫度傳感器解決方案。
尤其在汽車應(yīng)用方面,硅溫度傳感器技術(shù)提供了更高的可靠性和設(shè)計(jì)靈活性,而且不會(huì)增加成本。摒棄傳統(tǒng)技術(shù)而優(yōu)先采用這種技術(shù)能使工程更加順利。
作者:Wolfgang Mueller
傳感器國際產(chǎn)品市場經(jīng)理
恩智浦半導(dǎo)體公司
