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恩智浦公司硅溫度傳感器的解決方案

   2012年02月27日 14:33  
  摘要:溫度傳感器在車內(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(lái)提高性能。
  
  對(duì)于許多應(yīng)用而言,存在著比傳統(tǒng)熱敏電阻更*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)*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(zhǎng)達(dá)50年的時(shí)間內(nèi)漂移量甚微。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(shì)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(duì)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(shì)。
  
  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(guò)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(duì)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(wèn)題,因?yàn)槠錁O性并非總是那么明顯。
  
  要成功解決此問(wèn)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(wú)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(shì)。例如,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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zui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)。zui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)行高度的溫度測(cè)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
  
  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(lái)計(jì)算。在需要更高線性度的場(chǎng)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(guò)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*可靠性和極長(zhǎng)的使用壽命。
  
  KTY溫度傳感器的應(yīng)力測(cè)試表明,傳感器在接近zui高溫度的條件下工作10,000小時(shí),典型漂移量?jī)H0.2K。
  
  然而這些傳感器通常的工作溫度僅為規(guī)定zui高溫度的一半,因此根據(jù)對(duì)真實(shí)環(huán)境下的測(cè)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zui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(wú)關(guān)的檢測(cè)場(chǎng)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
  
  得益于高精度和的長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)、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。

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