車內溫度控制和引擎監控等汽車應用中發揮著重要作用。設計時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來提高性能。

對于許多應用而言,存在著比傳統熱敏電阻更先進的技術,而傳統技術往往只是因為先前設計中一直采用而被頻繁使用。

使用硅技術制造溫度傳感器是實現最佳可靠性的方法之一,因為這種傳感器的行為與硅本身一樣穩定。例如,基于硅的傳感器在長達50年的時間內漂移量甚微。精確的半導體制造技術使傳感器具備高度的可再生產性。

硅的另一大優勢在于,傳感器能夠充分利用集成電路的封裝和大批量制造原理。這對當今汽車應用尤為重要,因為小型化和封裝已經成為其主導趨勢。

硅溫度傳感器還具有正溫度系數,其電阻隨溫度升高而增大,從而能提供故障防護功能。

制造穩定、高度線性且耐用的硅溫度傳感器的方法之一是利用擴散電阻原理(圖1)。

圖1:“擴散電阻”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,上有一個直徑約為20μm的金屬化切割孔。整個底面都經金屬化處理。

這種排列通過晶體提供圓錐形電流分布,因而得名為“擴散電阻”。此類排列的主要優點在于,傳感器電阻對制造公差的依賴程度有顯著降低。

靠近金屬化孔的區域決定了電阻的主要部分,因此電阻的構建獨立于硅晶體的尺寸公差。擴散到金屬化表層下面晶體內的n+區域則降低了金屬-半導體結點處阻擋層的效應。

但這種配置與極性高度相關,并且需要徑向引線封裝。有時還會在安裝傳感器時引發一些問題,因為其極性并非總是那么明顯。

要成功解決此問題,可以串聯兩個極性相反的傳感器,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。

圖2:兩個極性相反的傳感器的串聯。

但單傳感器排列在一些應用中也具備優勢。例如,結構簡單的特性使得該傳感器能以緊湊的SOD68(DO-34)封裝進行生產。另一重要優點在于其工作溫度最高可達300℃,而非硅傳感器通常的150℃。

這在單傳感器件用金屬觸點正極偏置時即可實現。最高溫度之所以能提高,是因為金觸點上的正電壓極大地降低了上部n+擴散層中的空穴濃度。

擴散電阻技術是恩智浦半導體KTY系列硅溫度傳感器的基礎。該技術能夠進行高度精確的溫度測量,因為它們可以在整個溫度范圍內呈現真正線性的溫度系數(圖3)。

圖3:擴散電阻傳感器的線性特性(恩智浦半導體公司的KTY 81/82)。

隨溫度而變化的電阻值可以用與類型有關的常數A和B來計算。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。

由于溫度系數為正,傳感器在系統過熱時可以執行故障防護功能。此外,硅特性天性穩定,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,典型漂移量僅。

然而這些傳感器通常的工作溫度僅為規定最高溫度的一半,因此根據對真實環境下的測試數據推斷,這種低漂移量可以保持450,000小時(51年)。

恩智浦為汽車設計工程師們提供了當今選擇范圍最廣的硅溫度傳感器,公司根據封裝、標稱電阻、公差和工作范圍劃分出了豐富的產品系列。KTY81和KTY82系列使用雙傳感器技術,適用于與極性無關的檢測場合。

KTY83和KTY84系列采用專為在油或水之類的液體內使用而設計的密封玻璃封裝。KTY84系列的工作溫度高達300℃,是排氣和加熱系統的理想選擇。

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:不同封裝提供了設計靈活性。

得益于高精度和卓越的長期穩定性,采用擴散電阻技術的KTY系列硅傳感器將成為基于負溫度系數(NTC)或正溫度系數(PTC)技術的傳統傳感器的有力替代品。

它們的主要優點是:

1. 長期穩定性；

2. 基于硅批量處理技術；

3. 近似線性的特性。

汽車應用包括油溫檢測、引擎冷卻、車內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。

尤其在汽車應用方面,硅溫度傳感器技術提供了更高的可靠性和設計靈活性,而且不會增加成本。摒棄傳統技術而優先采用這種技術能使工程更加順利。

作者:Wolfgang Mueller

傳感器國際產品市場經理

   恩智浦半導體公司