Halbleiter-Temperatursensoren Temperaturen messen mit Genauigkeiten von ±0,1 °C

Von Simon Bramble *

Dieser Artikel befasst sich mit der Genauigkeit der aktuellen Halbleiter-Temperatursensoren. Diese geben ihre Ergebnisse in digitaler Form aus, erfordern keine Linearisierung, sind in kleinen Gehäusen verfügbar und verbrauchen wenig Strom. Viele Sensoren besitzen überdies programmierbare Alarme für Fehlfunktionen.

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Temperaturmessung: Halbleiter-Temperatursensoren sind inzwischen ähnlich präzise wie andere Sensoren. Aufpassen muss man allerdings beim Abgleich.
Temperaturmessung: Halbleiter-Temperatursensoren sind inzwischen ähnlich präzise wie andere Sensoren. Aufpassen muss man allerdings beim Abgleich.
(Bild: Pixabay)

Die Elektronikindustrie stellt heute immer höhere Anforderungen an die Genauigkeit, und das Erfassen von Temperaturen ist hier keine Ausnahme. Die vielen Lösungen zur Temperaturmessung, die es heute gibt, haben spezifische Vor- und Nachteile. Halbleiter-Temperatursensoren etwa sind einerseits recht linear, konnten aber nie die Genauigkeit anderer Lösungen erreichen. Dies hat sich mittlerweile geändert.

Welche Temperatursensoren gibt es?

In industriellen Anwendungen werden unterschiedliche Temperatursensoren wie Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTD), Thermistoren oder Halbleitersensoren genutzt. Über die Arbeitsweise der verschiedenen Temperatursensoren wurde schon ausreichend geschrieben, sodass ich mich hier auf eine kurze Zusammenfassung beschränken kann.

Thermoelemente: Thermoelemente sind eine kostengünstige und recht genaue Möglichkeit zum Messen sehr hoher Temperaturen. Ihre Funktion beruht auf dem 1821 von Thomas Seebeck entdeckten Effekt, dass in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen (metallischen ) Leitern zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung entsteht, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Metallen besteht.

Ein Thermoelement vom Typ K (aus einer Nickelbasis- oder Nickel-Chrom-Legierung) erzeugt beispielsweise eine Spannung von etwa 41 µV pro Grad Celsius Temperaturdifferenz und kann zum Messen von Temperaturen über 1.000 °C eingesetzt werden. Allerdings beruht der Seebeck-Effekt wie erwähnt darauf, dass eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Leitern besteht. Während also die Messstelle auf die interessierende Temperatur gebracht wird, muss die Vergleichsstelle auf einer bekannten Temperatur gehalten werden.

In der Tat wird also an der Vergleichsstelle ein weiterer Temperatursensor benötigt, damit die tatsächlich bestehende Temperaturdifferenz gemessen werden kann. Bausteine wie der AD8494 eignen sich dafür. Da Thermoelemente sehr klein sind, ist ihre Wärmekapazität ebenfalls sehr gering, sodass die Reaktion auf Temperaturänderungen sehr schnell erfolgt.

Widerstandsthermometer: So genannte RTDs (Resistive Temperature Detectors) oder Widerstandsthermometer werden in der Industrie in großem Umfang zum Messen von Temperaturen bis 500 °C verwendet. Diese Bauelemente enthalten ein Metall, und zwar meist Platin (Pt), dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur erhöht. Sensoren des Typs PT100 werden in der Industrie am häufigsten eingesetzt.

Ihre Bezeichnung rührt daher, dass sie aus Platin bestehen und bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω haben. Zwar sind diese Bauelemente nicht für so hohe Temperaturen geeignet wie Thermoelemente, aber sie sind hochgradig linear und ihre Messwerte sind reproduzierbar.

Was ein PT100-Sensor braucht, ist ein präziser Treiberstrom, damit am Sensor ein exakter Spannungsabfall entsteht, der proportional zur Temperatur ist. Da der Widerstand der zum PT100 führenden Verbindungs­leitungen einen Fehler beim Messen des Sensorwiderstands erzeugt, sind Drei- oder Vierleiter-Schaltungen zur Kompensation dieses Fehlers üblich.

Thermistoren: Wenn eine kostengünstige Lösung gewünscht wird und der Temperaturbereich niedrig ist, reicht oftmals ein Thermistor aus. Thermistoren zeigen ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten, ihr Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur ab (Steinhart-Hart-Gleichung). Vorteilhaft an einem Thermistor ist, dass kleine Temperaturänderungen eine große Änderung des Widerstands bewirken, weshalb trotz der Nichtlinearität eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden kann.

Kennzeichnend für Thermistoren ist ebenfalls ihre schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen. Da die Nichtlinearitäten der einzelnen Temperatursensoren sehr gut definiert sind, lassen sie sich mit Bauelementen wie dem LTC2986 durch Kalibrierung kompensieren.

Halbleiter-Temperatursensoren: Halbleiter-Temperatursensoren sind sofort einsatzbereit, benötigen weder eine Vergleichsstellen-Kompensation noch eine Linearisierung, werden mit analogem oder digitalem Ausgang angeboten und sind werksseitig vorkalibriert. Bis vor kurzem boten sie allerdings nur eine mäßige Genauigkeit.

Diese reichte zwar aus, um Auskunft über den Betriebszustand von elektronischen Geräten zu geben, aber zur Messung beispielsweise der Körpertemperatur, die gemäß ASTM E1112 mit einer Genauigkeit von ±0,1 °C zu erfolgen hat, reichte es nicht. Geändert hat sich dies mit den jüngst eingeführten Temperatursensoren ADT7422 und ADT7320, die eine Messgenauigkeit von ±0,1 °C bzw. ±0,2 °C erreichen.

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Funktionsweise eines Halbleiter-Temperatursensors

Ein Halbleiter-Temperatursensor nutzt die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors gemäß des Ebers-Moll-Modells (Gleichung 1).

Ic = Is exp (qUBE / kT)–1 (Gl. 1)

Darin ist Ic der Kollektorstrom, IS der umgekehrte Sättigungsstrom, q die Elementarladung, k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur.

Der in Gleichung 1 gegebene Ausdruck für den Kollektorstrom gilt auch für den Strom in einer Diode – weshalb also kommen in allen Anwendungsschaltungen Transistoren zum Einsatz und keine Dioden?

Der Grund hierfür ist, dass der Strom in einer Diode auch einen Rekombinationsstrom enthält, der durch das Rekombinieren von Elektronen und Löchern beim Passieren der Verarmungsregion der pn-Sperrschicht entsteht.

Dies führt zu einer Nichtlinearität des Diodenstroms abhängig von UBE und der Temperatur. Dieser Strom tritt auch in einem bipolaren Transistor auf. Er fließt hier jedoch in die Basis des Transistors und geht daher nicht in den Kollektorstrom ein, sodass die Nichtlinearität deutlich geringer ausfällt.

Durch Umstellen von Gleichung 1 erhält man Gleichung 2:

UBE = kT/q ln (Ic/Is +1) (Gl. 2)

Da IS im Vergleich zu Ic sehr klein ist, kann man den Term 1 in Gleichung 2 vernachlässigen. Wie man sieht, ändert sich UBE linear bei einer logarithmischen Änderung von Ic. Außerdem ist zu sehen, dass sich UBE linear mit der Temperatur ändert, wenn IS und Ic konstant sind. Da man jedoch einfach für einen konstanten Kollektorstrom in einem Transistor sorgen kann, muss man nur noch messen, wie sich UBE mit der Temperatur ändert.

Präzise Temperaturmessung: Es geht nicht ohne Kalibrierung

IS hängt mit der Geometrie des Transistors zusammen und ist sehr stark von der Temperatur abhängig. Wie bei vielen Halbleiter-Bauelementen verdoppelt sich dieser Wert mit jedem Temperaturanstieg um 10 °C.

Obwohl sich die Auswirkungen dieser Stromänderung infolge der Logarithmus-Funktion in Grenzen halten, haben wir weiter das Problem, dass der absolute Wert von UBE von einem Transistor zum anderen variiert.

Es geht somit nicht ohne Kalibrierung. In der Praxis genutzte Temperatursensoren enthalten daher zwei identische Transistoren. In dem einen wird ein Kollektorstrom von 1 IC eingestellt, im anderen dagegen ein solcher von 10 IC.

Temperaturen messen: Identische Transistoren und ratiometrische Ströme

Identische Transistoren und ratiometrisch präzise Ströme lassen sich in einer integrierten Schaltung einfach herbeiführen. Deshalb basieren die meisten Halbleiter-Sensoren auf dieser Architektur. Die logarithmische Änderung des Stroms bewirkt eine lineare Änderung von UBE, und man misst die Differenz zwischen beiden UBE-Werten.

Gemäß Gleichung 2 berechnet sich die Differenz zwischen den UBE-Werten zweier Transistoren, deren Temperatur identisch ist, gemäß Gleichung 3.

ΔUBE = kT / q ln 10 (Gl. 3)

Indem man die beiden Transistoren mit verschiedenen Strömen beaufschlagt und die resultierende UBE-Differenz misst, beseitigt man nicht nur den nichtlinearen IS-Term, sondern auch die Auswirkungen der unterschiedlichen absoluten UBE-Werte sowie alle weiteren nichtlinearen Effekte, die mit der Geometrie der Transistoren zusammenhängen.

Da k, q und ln 10 alle konstant sind, ist die Änderung von UBE proportional zur absoluten Temperatur (PTAT). Unterscheiden sich die Ströme um den Faktor 10, ändert sich die Differenz zwischen den beiden UBE-Werten linear mit der Temperatur, und zwar mit einem Koeffizienten von etwa 198 µV/°C. Eine vereinfachte Schaltung hierfür ist in Bild 1 zu sehen.

Bild 1: Prinzip der Temperaturmessung mit einem Halbleitersensor.
Bild 1: Prinzip der Temperaturmessung mit einem Halbleitersensor.
(Bild: ADI)

Die in Bild 1 verwendeten Ströme müssen sorgfältig gewählt werden. Sind sie zu hoch, wird das Ergebnis durch die beträchtliche Eigenerwärmung sowie durch Spannungsabfälle an den Widerständen innerhalb der Transistoren verfälscht. Werden die Ströme dagegen zu niedrig angesetzt, haben Leckströme innerhalb der Transistoren signifikante Fehler zur Folge.

Nicht vergessen werden darf ebenfalls, dass sich die oben angeführten Gleichungen auf den Kollektorstrom eines Transistors beziehen, während gemäß Bild 1 ein konstanter Emitterstrom in den Transistor injiziert wird. Die Transistoren können jedoch so konstruiert werden, dass das Verhältnis zwischen Kollektor- und Emitterstrom genau definiert ist (und nahezu 1:1 beträgt), sodass der Kollektorstrom proportional zum Emitterstrom ist.

Hiermit fängt die ganze Geschichte allerdings erst an, denn um mit einem Temperatursensor eine Genauigkeit von ±0,1 °C zu erzielen, sind umfangreiche Messungen und Abgleiche erforderlich.

So kalibrieren Sie ein Halbleitersensor-Superthermometer

Tatsächlich gibt es solche „Superthermometer“. Der unkalibrierte Temperatursensor muss in ein Gefäß mit Silikonöl getaucht und auf eine präzise, mit einem Superthermometer gemessene Temperatur gebracht werden. Solche Thermometer kommen auf eine Messgenauigkeit von besser als fünf Nachkommastellen.

Durch Durchtrennen von Schmelzbrücken wird die Verstärkung des Temperatursensors nun so abgeglichen, dass sein Ausgang gemäß der Gleichung y = mx + n linearisiert wird. Die höchst gleichförmige Temperatur des Silikonbades erlaubt zudem das Kalibrieren mehrerer Sensoren in einem Durchgang.

Bild 2: 
Ansicht des ADT7422 auf einer Leiterplatte der Dicke 0,8 mm.
Bild 2: 
Ansicht des ADT7422 auf einer Leiterplatte der Dicke 0,8 mm.
(Bild: ADI)

Der ADT7422 (Bild 2) bietet eine Genauigkeit von ±0,1 °C über einen Temperaturbereich von 25 bis 50 °C. Da sich die Körpertemperatur des Menschen 38 °C beträgt (genau in der Mitte), eignet sich der ADT7422 für die exakte Vitalzeichen-Überwachung. Für industrielle Anwendungen ist der ADT7320 auf eine Genauigkeit von ±0,2 °C abgeglichen mit einem erweiterten Temperaturbereich von –10 bis 85 °C.

Das Kalibrieren des Temperatursensors ist jedoch nicht das einzige Problem. Ebenso wie bei extrem präzisen Spannungsreferenzen, können mechanische Spannungen im Die die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigen. Die thermische Ausdehnung der Leiterplatte, des Leadframes, des Kunststoffgehäuses und der herausgeführten Pads muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Seine ganz eigenen Probleme bringt natürlich auch der Lötprozess mit sich, denn während der Reflow-Lötung wird ein Bauteil auf 260 °C erwärmt. Die Folge ist, dass das Kunststoffgehäuse weich wird und sich der Leadframe des Die verzieht, wodurch mechanische Spannungen auf das Die einwirken, wenn sich das Bauelement wieder abkühlt und sich das Gehäusematerial wieder verfestigt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Leiterplattendicke von 0,8 mm die besten Werte ergibt und eine Genauigkeit von ±0,1 °C auch nach dem Löten erreicht wird.

Test in der Praxis am Beispiel einer Tiefkühltruhe

Um die Genauigkeit der Temperaturanzeige einer (neu gekauften) Tiefkühltruhe zu überprüfen, habe ich den ADT7320 mit einem Mikrocontroller und einem LCD-Display verbunden und ein paar hundert Zeilen C-Code zum Initialisieren des Sensors und zum Auslesen der Daten geschrieben.

Für die Initialisierung des Bausteins reicht es aus, zweiunddreißig 1-Werte hintereinander in den DIN-Pin zu takten. Das Konfigurationsregister wurde so programmiert, dass der ADT7320 fortlaufend Umwandlungen mit einer Genauigkeit von 16 Bit durchführt.

Bild 3: Die Temperatur im Gefrierschrank betrug –18,83 °C.
Bild 3: Die Temperatur im Gefrierschrank betrug –18,83 °C.
(Bild: ADI)

Sind die Daten aus dem ADT7320 ausgelesen, muss eine Pause von mindestens 240 ms eingefügt werden, bevor die nächste Umwandlung vorgenommen werden kann. Um sehr einfache Mikrocontroller zu nutzen, habe ich die SPI-Schnittstelle manuell geschrieben. Ich beließ den ADT7320 ungefähr 30 min lang in der Tiefkühltruhe, um zu prüfen, auf welche Temperatur sich unser Neukauf einpendelte. Wie man in Bild 3 sehen kann, ergab sich ein Wert von –18,83 °C.

Bild 4: Zum Vergleich betrug die Temperatur in meinem Büro 22,87 °C.
Bild 4: Zum Vergleich betrug die Temperatur in meinem Büro 22,87 °C.
(Bild: ADI)

Mir erschien dies beeindruckend genau, da eine derart hohe Temperaturgenauigkeit bei der Lagerung von Nahrungsmitteln gar nicht unbedingt notwendig ist. Anschließend maß ich die Temperatur in meinem Büro an einem typischen britischen Sommertag. Hier ergab sich ein Wert von 22,87 °C (Bild 4).

Fazit: Halbleiter-Temperatursensoren haben es weit gebracht. Sie sind inzwischen extrem präzise und erlauben eine hochgradig exakte Vitalzeichen-Überwachung. Während ihre Technologie auf bestens fundierten Prinzipien basiert, verursacht ihr Abgleich zum Erzielen einer Genauigkeit von weniger als 1 °C doch recht großen Aufwand.

Doch selbst wenn dieses Maß an Genauigkeit erreicht wird, können mechanische Spannungen und das Löten die Ergebnisse stundenlanger Kalibrierarbeit wieder zunichtemachen. Die Bausteine ADT7320 und ADT7422 erreichen dagegen auch nach dem Auflöten auf eine Leiterplatte eine Genauigkeit von unter 1 °C.

* Simon Bramble ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Hayes, UK.

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