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MEMS中的三種測(cè)溫方式

中科院半導(dǎo)體所 ? 來源:芯學(xué)知 ? 2025-07-16 13:58 ? 次閱讀
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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(cè)溫方式。

在集成MEMS芯片的環(huán)境溫度測(cè)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(cè)溫,電阻變化直接對(duì)應(yīng)絕對(duì)溫度,需恒流源供電。熱電堆基于塞貝克效應(yīng),多對(duì)熱電偶串聯(lián)將溫差轉(zhuǎn)為電壓,冷端溫度需獨(dú)立測(cè)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(cè)溫是半導(dǎo)體PN結(jié)在恒定正向電流下,結(jié)壓降與絕對(duì)溫度成反比(約-2mV/℃),電壓或數(shù)字碼對(duì)應(yīng)絕對(duì)溫度,無需外部參考。

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高精度工業(yè)監(jiān)控選鉑電阻方式測(cè)溫,優(yōu)勢(shì)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(cè),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(shí)選擇PT100熱電阻,因其測(cè)溫范圍覆蓋-200~850℃,精度達(dá)A級(jí)(0.15℃+0.002|t|),且抗振動(dòng)、耐腐蝕(封裝后),可長期穩(wěn)定工作。

非接觸測(cè)溫應(yīng)該選熱電堆測(cè)溫方案,優(yōu)勢(shì)是無需物理接觸,但需要冷端集成方案,提升補(bǔ)償實(shí)時(shí)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(cè)溫,電機(jī)運(yùn)行時(shí)帶電,無法接觸,且需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)溫,優(yōu)勢(shì)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(cè),電腦CPU工作溫度在40~100℃,需實(shí)時(shí)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(jí),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(cè)溫,鋰電池充放電時(shí)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(shí)0.5℃的波動(dòng)),配合BMS系統(tǒng)及時(shí)斷電保護(hù)。

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原文標(biāo)題:MEMS中的三種測(cè)溫方式你選對(duì)了嗎

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