針對應用需求搭配適當的溫度感測器

市面上感測器技術種類繁多且產業要求各異，因此為應用選擇最合適的溫度感測器並非易事。許多應用需要精準的讀數，因此必須要廣泛瞭解各種可用選項。

選擇溫度感測器時，需要平衡多種因素以滿足設計要求，例如準確度、響應時間、通訊協定、環境穩健度、功耗、成本、系統整合。感測器的輸出通常分成五種類別，包含四種類比電壓，和一種數位訊號：

• 熱電偶具有寬廣工作溫度範圍和耐用性，測量溫度從極低溫到超過 +1,800°C。其堅固耐用，可以耐受嚴峻的環境，並對快速溫度變化迅速反應。但其準確度和穩定性不如其他選項，而且需要進行訊號調節。此類別非常適合重工業，例如鋼鐵和玻璃生產，以及高溫的家用和商用電器。
• 電阻溫度偵測器 (RTD) 具有高精密度和穩定性，是重視精密度的工業自動化和製程控制的理想選擇。電阻溫度偵測器通常用於食品和製藥產業，可協助嚴格控制釀造、滅菌、油炸等過程中的溫度。能針對暖通空調系統以及實驗室和醫療設備 (如孵化器和分析儀器等) 提供精準的溫度測量。相較於熱電偶等替代品，電阻溫度偵測器價格較貴，並且由於採用細電線或薄膜感測元件，所以較為脆弱。通常會搭配精密測量電路，也因此增加設計的複雜性和成本。
• 熱敏電阻是由半導體製成的高靈敏度溫度相依電阻。微小的溫度變動會造成電阻值大幅變化，因此能偵測小波動，且具有高解析度。熱敏電阻體積小、速度快、成本低，並提供多種尺寸，包含極小的圓珠到較大的探針類型。在溫度範圍有限 (通常在 -50°C 至 150°C 之間) 的應用中表現傑出。熱敏電阻的用途廣泛，像是環境溫度或體溫相關的醫療裝置和消費性電子產品，以及汽車應用、電池管理系統、消費型電器、火災和煙霧偵測等。然而，其非線性電阻曲線需要透過轉換公式或查找表，才能將電阻轉換為準確的溫度，且與電阻溫度偵測器相比，使用一段時間後可能會發生漂移。
• 二極體架構溫度感測器響應時間快，且比以上三種類比類型的體積更小。可以輕鬆與微控制器、類比數位轉換器 (ADC) 和專用型積體電路 (ASIC) 介接。具有良好成本效益，溫度範圍限制為 -55°C 至 +150°C，已廣泛運用於消費型電子、工業自動化、資料中心儲存系統、汽車等眾多領域。其準確度低於電阻溫度偵測器，易受系統雜訊影響，並且通常需要經過校準以確保在不同裝置之間具有一致的讀數。
• 數位溫度感測器是測量溫度並提供直接數位輸出的積體電路 (IC)，通常透過 SMBus、I²C、SPI、1-Wire 等通訊協定。不需要進行類比選項的外部訊號調節、放大、類比數位轉換。

選擇準則

選擇合適的溫度感測器需要平衡準確性、反應時間、耐用性、成本。此外，也需考量產業特定要求以選擇合適的組件。

應用的作業環境也是重要的一項考量因子。在嚴峻的環境條件下，需要使用熱電偶或塗層電阻溫度偵測器等耐用的感測器，而熱敏電阻或半導體感測器則更適合用於受控環境。量產還需要考量成本和可擴充性；熱敏電阻經濟實惠，但電阻溫度偵測器和高階熱電偶可提供長期穩定性。

設計人員對準確性和實用性之間的權衡也會影響選擇。電阻溫度偵測器提供高精密度但價格昂貴，熱電偶則用途更廣泛但精密度較低。響應時間和置放位置也很重要；熱電偶和熱敏電阻等小型、低質量的感測器響應迅速，但其置放位置會影響效能。

感測器及其相關電路的成本更是影響選擇的重點，尤其是針對消費性產品或大量生產。不同類型的感測器其成本範圍各異。類比感測器需要訊號調節，而數位感測器則簡化整合。減少類比電路和校準作業可以將整體成本降至最低，因此使用稍微貴一點的數位感測器也合理。

數位選項和特性

數位感測器在內部轉換類比訊號並以數位串流的形式傳輸資料，通常提供更好的雜訊耐受性並可進行更複雜的資料處理。Analog Devices, Inc. (ADI) 提供豐富的類比和數位溫度感測器產品組合，設計人員可仔細評估各款感測器，以便取得最適合應用需求的產品。以下為數位感測器的簡要回顧。

需要精準的溫度讀數時，準確性是首要考量因素。ADI 的 MAX31888 數位感測器在 -20°C 至 +105°C 範圍內具有 ±0.25°C 的精密度，並透過 1-Wire 匯流排與微控制器通訊，達到高精密度的溫度監控電路 (圖 1)。每個 MAX31888 都已編程唯一 64 位元註冊號碼，可用作多點 1-Wire 網路中的節點位址。

圖 1：使用 MAX31888 溫度感測器的典型應用電路 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

MAX31888 僅使用一條數據線進行通訊，可從中直接取得寄生功率，因此設計人員無需加上外部電源。使用外部電源供應器時，其電壓範圍為 1.7 V 至 3.6 V，且測量時僅消耗 68 μA 電流。

設計小型電池供電裝置時，功耗和尺寸會是首要考量。對於穿戴式裝置等應用，ADI 的 MAX31875 元件 (如圖 2 的 MAX31875R0TZS+T) 具有 0.84 mm x 0.84 mm x 0.35 mm 的超小封裝尺寸和低電源電流消耗，溫度測量精密度為 ±1°C。

圖 2：MAX31875R0TZS+T 外型尺寸圖 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

MAX31875 系列採用 I²C/SMBus 相容序列介面，此介面使用標準寫入位元組、讀取位元組、發送位元組和接收位元組命令讀取溫度資料，並在典型電路中配置感測器行為 (圖 3)。平均電源電流低於 10 μA，測量溫度範圍介於 -50°C 至 +150°C。

圖 3：使用 MAX31875 數位溫度感測器的應用電路 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADI 還提供專門設計用於精準測量熱二極體溫度並將其轉換為數位格式的 IC，以取代傳統的熱敏電阻或熱電偶。這些遠端二極體感測器測量外部 PN 接面的溫度，例如內建於 CPU、GPU、FPGA、ASIC 中的熱二極體。MAX6654MEE+T 測量一個熱二極體。其他選項適用於 2、3、4、8 通道應用。

遠端二極體感測器可透過適當的內部和外部濾波，廣泛應用於電雜訊環境中。MAX31732ATG+T 是一款 4 通道溫度感測器，可監測本體溫度以及最多四個外部二極體連接電晶體的溫度 (圖 4)。

圖 4：ADI 的 MAX31732 可以監測最多四個外部二極體連接電晶體，如應用電路所示 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

MAX31732 感測器可以透過編程設定溫度閾值，無需任何特殊軟體或韌體。可使用 2-Wire 序列介面監測溫度並修改溫度閾值。

結論

使用最佳溫度感測器可以確保應用具有更好的效能、可靠性、成本效益。影響選擇類別的因素眾多，包括產業特定要求和標準，以及成本與效能的權衡。ADI 的數位溫度感測器產品組合提供滿足各種應用需求的解決方案。