温度传感器设计指南外文翻译资料

 2022-12-03 14:37:56

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温度传感器设计指南

本设计师指南介绍了Si70xx系列温度传感器产品在各种不同的应用。

Si7050 / 1/3/4/5温度传感器采用3 x 3 mm 6引脚QFN封装，并支持1.9至3.6 V的电源电压范围。Si7057 / 8/9采用6pin 2 x 2 mm封装，并支持1.67至1.98 V的电源范围。有关详细的引脚说明，寄存器摘要和时序详细信息，请参见数据手册。

本设计师指南中的一些信息也适用于Si70xx温湿度传感器。 有关详细信息，请参见“AN607：Si70xx湿度和温度传感器设计指南”。

Si70xx温度传感器的结构如下图所示：

1 介绍

Si70xx温度传感器通过以两个电流以精确的比例测量片上晶体管的Vbe来测量温度。 所得到的电压被数字化，校准和线性化，使得在转换之后可以容易地计算温度。

因此，被测量的温度是Si70xx封装内的模具的温度。 该模具安装在金属引线框架上。 将引线框架视为芯片的热输入是有用的，因为从焊盘到芯片的热阻相当低（几C / W），而通过封装顶部的热阻相当高（超过 1000°C /瓦特用于对流热传递）。

根据部件号和转换时间，Si70xx部件将在小于1 ms至约10 ms的时间窗内测量感测晶体管的温度。 由于温度不是很容易快速变化的量，所以这个测量可以被认为是一旦I2C命令测量温度完成，就可以看到芯片温度的瞬时瞬发。

2 热质量和热阻

当IC被焊接时，它被热连接到其上安装的印刷电路板。 印刷电路板又与其安装的系统热连接。 响应环境空气温度变化的时间常数取决于设备连接的有效热质量以及有效的热阻。 如果整个系统（如恒温器）可以随着其正在测量的环境温度上升或下降，则不需要将传感器与系统分离，但响应时间通常较慢。 一般模型如下图所示。

传感器放置通用热模型

如果系统具有大的热质量（C1）或其他内部热源，则传感器到系统（R2）的热阻应远远大于传感器对环境（R1）的热阻。 为了快速响应，连接到传感器（C2）的热质量应该最小化。 “在桨上的传感器的热模型”中讨论了一个实际的例子以及一些具体的数字。

3 桨上传感器的热模型

为了说明将传感器与系统分离的一些注意事项，请考虑以下3厘米times;3厘米PCB上的传感器的实际示例：1厘米宽的PCB材料3厘米长：

传感器在3x3厘米PCB上

上图所示场景的热模型如图2.1所示。

标准FR4 PCB的空气热阻为每平方厘米PCB面积约1000°C / W。 两面暴露在环境中，总共有18平方厘米连接到环境。 这使得R1 55.5°C / W。 9cm 2的PCB材料的质量约为2.5g（FR4的比重为1850kg / m 3，假定为1.5mm厚），并且PCB材料的比热容为0.6J /（gC），所以热容量为 1.5 J / C。 时间常数：

该时间常数与PCB面积无关 - 更多的面积意味着较低的热阻抗，但较高的热质量。 为了提高超出这一点的时间常数，必须使用更薄的PCB材料，或者需要使用翅片或气流来降低热阻抗。 将我们的注意力转向R2，FR4材料在平面中的导热系数约为1瓦特/米-2℃。 因此，对于传感器区域与系统的其余部分连接1 cm宽，3 cm长，1.5 mm厚FR4的示例：

热阻抗（1 /电导）为2000°C / W（这是R2）。这是假设连接器材料上的铜布线最小。有了这个设计，因为R2是R1的36倍，所以系统加热会有相当小的影响。例如，如果系统加热为10°C，则传感器温度只会上升0.3°C。如果可以允许更多的热连接，则可以使连接器区域更短或更宽，或者可以使传感器连接器的PCB面积更小。该示例旨在说明对环境条件的良好响应和来自系统的绝缘的热设计考虑。在某些情况下，不可能将传感器放置在与环境充分热接触的位置，以将其与系统中的热质和热源进行屏蔽。在这种情况下，通常可以通过在系统中放置附加的温度传感器来补偿系统。然而，在所有情况下，传感器与环境的热接触应最大化，传感器与系统其余部分的热接触应最小化。

4 补偿用于环境测量的加热和热响应时间

  1. 估算系统温度加热

在某些情况下，不可能安装温度传感器，使其完全远离热源并放置，以便尽可能快地响应温度变化。

加热的最简单的补偿是表征系统的温升，并减去该上升以获得环境温度。 在某些情况下，这可能无法正常工作，因为系统在供电时会逐渐加热，并且可能具有产生不同加热量的几种状态。

如果系统可以通过简单的时间常数来表征，使得：

其中Delta;T0是最后状态变化时的增量T，并且时间是根据状态改变以来经过的时间计算的。 其中电源施加时的Delta;T0和T1是与当前状态相关联的上升。

系统温度可以近似为：

Tsystem = Tambient Delta;T

（2）当系统温度已知时，估计环境温度

如果R2不小，传感器可能处于系统和环境之间的某种温度。

重写和解决环境温度：

因此，如果从单独的温度传感器知道Tsystem或者可以基于系统在给定状态下被供电多长时间近似，并且可以从计算或曲线拟合确定其他热参数R1，R2和C2， 可以如上所述投影环境温度。

上述方法的一个问题是采用Tsensor的衍生物。 如果测量结果紧密相隔（相隔一秒），则传感器温度的变化会很小，导数项是嘈杂的。 这可以通过使测量之间的时间更长，但在这种情况下会在较长时间内发生的波动被忽略。 一个更好的方法是用线的最小均方拟合近似导数。

具有N点的坡度的一般方程为：

这可以通过考虑从 - （N-1）/ 2到（N-1）/ 2等号地间隔并编号的N个时间点（x），例如从-7到 7的15个点包括零 作为一点。 在这种情况下，x的和为零，并且：

如果使用固定数量的点，x2的和是恒定的，并且如果因子R1和C2由曲线拟合确定，则x2的总和甚至可以集中在该曲线拟合常数中。

5 核心体温测量

Si70xx温度传感器，特别是Si7051（在人体温度范围内为plusmn;0.1°C）的高精度使得这些部件自然可用于皮肤温度测量。

皮肤温度本身可能是感兴趣的，但通常更感兴趣的是通过将探针插入体腔（口腔或直肠）最精确地测量的“核心温度”。 在身体其他部位，皮肤温度将介于核心温度和环境温度之间。

皮肤温度与核心温度的偏差作为裸体人的环境温度的函数

因此，对于从皮肤温度预测核心温度的情况，温度测量装置的位置必须是

考虑了 作为简单的近似值，可以使用标称环境温度（例如23℃），并且可以导出校正

从上图。

如果实际的环境温度是已知的，这可以被考虑在内。

另一个选择是使用良好耦合到皮肤的温度传感器以及耦合到环境的第二温度传感器

尽可能。 然后可以从皮肤温度和从皮肤温度到环境的梯度估计核心温度

温度。 从上面的图重写方程式：

希望将皮肤侧温度传感器与皮肤良好接触并且在核心温度校正不大的位置。 皮肤接触的热阻抗约为1°C / W-cm2，与离开PCB约1000°C / W-cm2的对流相比非常低，因此通常不难快速准确地感受皮肤温度。

在可穿戴设备中，Tambient的精确投影非常困难，除非可以从远程传感器访问数据。 但是，如果皮肤传感器放置得很好，使得环境校正很小，这并不重要。 PCB材料具有相当低的热导率（0.1瓦特/厘米2℃），并且通过对流从PCB到空气的热阻抗相当大（1000℃/ W-cm 2）的表面积，所以重要的是环境侧传感器 与皮肤侧传感器绝缘不仅仅是PCB材料。 即使使用棉或玻璃纤维绝缘是困难的。

考虑以下型号：

棉或玻璃纤维的导热系数在0.003至0.005瓦/厘米-2的范围内。 这意味着即使对于1cm厚的绝缘层，从皮肤侧PCB到环境侧PCB的热阻抗为每平方厘米面积为200-300℃/ W，而从环境侧PCB到 环境温度为每平方厘米面积约1000℃/ W，并且环境侧PCB与皮肤侧PCB不能很好地绝缘。

进一步增加这种布置的绝缘是不切实际的。 更好的解决方案是用含铅热敏电阻感测环境温度。 在下图中，概念是将环境感应热敏电阻嵌入铝合金边框，以尽量减少与皮肤侧PCB的热接触，并最大限度地增加与环境的热接触。

现在，这些传感器可能无法正确感知皮肤的温度和环境温度，典型的用例可能与上述模型不同（即穿着衣服，运动，传感器放置在身体，循环等上）。但是，全部 在这些变化中，以下等式的形式仍然是正确的，参数ɑ必须经验性地推导出来。

如果传感器可以以相当好的感觉核心温度的方式穿戴（例如在前额或手臂下方），则参数alpha;将很小，可以通过测试一些受试者和平均值来估计。

对于与环境良好耦合的环境温度传感器，环境侧传感器将比皮肤更快地响应环境，并且可能会对投影的核心温度产生一些“过冲”。 一般来说，这种效果将不会大到足以使皮肤侧传感器靠近核心温度而进行补偿。

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