سنسور دمای نیمه‌هادی (semiconductor temperature sensor) با آیسی های دوتایی کارمی‌کنند که شامل دو دیود مشابه با ویژگی جریانی و ولتاژی حساس به دما هستند تا تغییرات حرارت را به صورت موثر اندازهگیری کنند.
سنسور دمای نیمه هادی چیست؟
سنسورهای دمای نیمه‌هادی المان‌هایی هستند که به شکل آیسی وارد بازار می‌شوند و به همین دلیل با نام سنسورهای دمای IC نیز شناخته می‌شوند. آنها قطعات الکترونیکی هستند که مشابه با المان‌های نیمه‌هادی الکترونیکی به روز همچون میکروپروسسورها ساخته می‌شوند. روی ویفرهای سیلیکونی می‌توان بیش از هزاران ابزار الکترونیکی ساخته شود. گستره جدیدی از سنسورهای دمایی نیمه‌هادی از سازنده‌های مختلف در حال ورود به بازار هستند. با این وجود، معروف‌ترین آنها AD590 و LM35 هستند.
ساختار سنسور دمای نیمه هادی
سنسورهای دمای مبتنی بر نیمه‌هادی، با مدارهای مجتمع (آی‌سی‌های) دوتایی کار می‌کنند. آنها شامل دو دیود مشابه با ویژگی جریانی و ولتاژی حساس به دما هستند تا تغییرات دما را به صورت موثر اندازهگیری کنند.
با وجود اینکه خروجی خطی دارند اما در محدوده بین 1 تا 5 درجه سانتی‌گراد دقیق نیستند. علاوه بر این، عکس‌العمل کند (بین 5 تا 60 ثانیه) در محدوده دمایی 70- تا 150 درجه سانتی‌گراد از خود نشان می‌دهند.
طراحی آنها از این حقیقت نتیجه شده است که دیودهای نیمه‌هادی دارای رابطه جریان-ولتاژ حساس به دما هستند. زمانی‌که دو ترانزیستور مشابه با جریان کلکتور مشابه در ناحیه فعال هستند، تفاوت ولتاژ بیس-امیتر آنها نسبت مستقیم با دمای مطلق آنها دارد.
ویژگی‌های سنسورهای دمای نیمه هادی
ویژگی های اصلی حسگرهای دمای نیمه‌هادی عبارتنداز:
- خروجی خطی قابل‌قبولی فراهم می‌کنند.
- آنها با اندازه نسبتا کوچک موجود هستند.
- قابلیت اندازهگیری دماهای بالا را ندارند. محدوده دمایی قابل اندازهگیری آنها بین 40- و 120 درجه سانتی‌گراد است.
- اگر به خوبی کالیبره شوند، اندازهگیری دمایی دقیقی از خود نشان می‌دهند.
- قابلیت تعویض خیلی کمی دارند.
- سنسورهای دمایی نیمه‌هادی برای تماس حرارتی با سطوح خارجی طراحی مناسبی ندارند.
- استفاده از این سنسورهای دمایی باعث می شود به راحتی با دیگر ابزار الکترونیکی همچون تقویت‌کننده‌ها، تنظیم‌‌کننده‌ها، پردازشگرهای سیگنال دیجیتالی، میکروکنترلرها و غیره ارتباط برقرار کرد.
- این نوع از سنسورهای دمایی برای کاربردهای داخل محفظه‌ای که درون محفظه‌ای نصب می‌شوند ایده‌آل هستند.
- برخلاف دیگر سنسورهای دمایی همچون ترموکوپل‌ها و RTD ها، عملکرد الکتریکی و مکانیکی آنها قدرت بالایی ندارد.
انواع سنسورهای دمای نیمه هادی
سنسورهای دمایی نیمه‌هادی به 5 نوع عمده زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
سنسور دمای نیمه هادی با خروجی ولتاژ
سنسور دمای نیمه هادی با خروجی جریان
سنسور دمای نیمه هادی با خروجی دیجیتال
سنسور دمای نیمه رسانا با خروجی مقاومتی
سنسور دمای نیمه هادی دیودی
سنسور دمای نیمه هادی با خروجی ولتاژ
این نوع سنسورها برای کار کردن به یک نوع منبع تغذیه برای فراهم کردن ولتاژ تحریک نیاز دارند. خروجی خطی مفید به شکل ولتاژی فراهم می‌کنند. علاوه براین، امپدانس خروجی پایینی دارند.
سنسور دمای نیمه هادی با خروجی جریانی
برخلاف سنسورهای دمایی با خروجی ولتاژی، امپدانس خروجی این سنسورها بسیار بالاست. معمولا از آنها به عنوان تنظیم‌کننده جریان ثابت استفاده می‌شود به گونه‌ای که اجازه عبور 1 میکروآمپر جریان به ازای هر 1 درجه کلوین تغییر دما را بدهند. آنها همچنین به یک ورودی ولتاژ با مقدار بین 4 تا 30 ولت نیاز دارند
سنسور دمای نیمه هادی با خروجی دیجیتال
این سنسورها مهمترین سنسور برای یکپارچه‌سازی آنها با مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال در داخل چیپ آیسی هستند. این سنسورها واسط دیجیتالی استاندارد ندارند. پس، از آنها نمی‌توان برای اندازهگیری در کنار ابزار اندازهگیری استاندارد بهره برد. برخی از آنها به این دلیل طراحی شده‌اند تا برای مدیریت دمایی میکروپروسسورها مورد استفاده قرار بگیرند.
سنسور دمای سیلیکونی با خروجی مقاومتی
اینها سنسورهای دمایی ساده‌ای هستند که با کمک تجهیزات تولید نیمه‌هادی معمولی طراحی شده‌اند. ویژگی‌های معمول مقاومت دمایی مواد نیمه‌هادی استفاده از آنها را ساده‌تر می‌کند. علاوه بر این، این سنسورها تحمل بالایی در برابر مهاجرت یون‌ها ارائه می‌دهند، بنابراین در مقایسه با سایر سنسورهای دمای نیمه‌هادی پایدار هستند. با این حال، در هنگام استفاده از این سنسورها به دلیل ویژگی‌های دیگر آنها باید مراقبت بیشتری انجام شود.
سنسور دمای دیودی
این سنسورها با استفاده از دیودهای اتصال PN معمولی ساخته می‌شوند. اینها ارزان‌ترین نوع سنسورهای دما هستند که در صورت تامین جریان تحریک ثابت توانایی فراهم کردن نتایج مناسب را دارند. همچنین برای عملکرد رضایت بخش به کالیبراسیون دو نقطه ای نیاز دارند. یک دیود نیمه‌هادی معمولی یک ولتاژ بایاس مستقیم خطی معقول ارائه می دهد که ضریب دمای آن حدود 2.3 میلی ولت به ازای تغییر یک درجه سانتی‌گراد است. یک سنسور دمای معمولی دیود در شکل زیر نشان داده شده‌است.
انتخاب سنسور دمای نیمه هادی
در هنگام انتخاب سنسور دمایی نیمه‌هادی برای کاربرد خاص، این نکات کلیدی را باید در ذهن داشته باشید:
مقدار دقت لازم را انتخاب کنید
محدوده دمایی دلخواه را انتخاب کنید
هزینه‌های لازم را در نظر بگیرید
توانایی‌های ورودی دستگاه اندازهگیری را شناسایی کنید
سنسورهای دمای آنالوگ
این نوع از سنسورهای دمایی سیگنال خروجی جریان یا ولتاژ تولید می‌کنند که اساسا خطی است و با دما نسبت مستقیم دارد. ظهور سنسورهای دمایی آنالوگ نیاز به مدار مکمل خطی‌سازی را از بین برد که قبلا برای بهبود غیرخطی‌بودن ترمیستور از آنها استفاده می‌شد.
سنسور دمای دیجیتال
این سنسورها نسبت به همتای آنالوگ خود بسیار پیشرفته‌تر هستند. در عوض تولید خروجی به صورت جریان یا ولتاژ، سیگنال خروجی دیجیتال به شکل «صفر» و «یک» ایجاد می‌کنند که از طریق خطوط مخابراتی چون PWM تک‌سیمه، I2C دو‌سیمه یا اتصال SPI چندسیمه قابل انتقال میباشند. از آنجایی که حوزه سنسورهای دمایی نیمه‌هادی در حال پیشرفت است، این نوع جدید از سنسور دمایی دیجیتال دارای انواع مختلفی از واسط‌ها و ویژگی‌های مفید است؛ آنها می‌توانند دما را به صورت تماسی یا غیرتماسی تشخیص دهند. علاوه بر این، می‌توانند پارامترهای مهم دیگری چون ولتاژ و غیره را بررسی کنند. ویژگی‌های مفید دیگر شامل کنترل خنک‌کننده (فن) و زنگ اخبار گذر از حد مشخص میباشند. این سنسورهای دمایی برای واسط شدن با میکروکنترلرها مناسب هستند. یک سنسور دمای دیجیتال در شکل زیر نشان داده شده‌است.
متغیرهای دیگر
اگرچه سنسورهای دمای دیجیتال پیشرفته جایگزین استفاده از سنسورهای دمای آنالوگ در بسیاری از زمینه‌ها شده‌اند، با این حال سنسورهای آنالوگ به خوبی در مواردی استفاده می‌شوند که نیازی به خروجی در فرمت دیجیتال ندارند. همچنین در برنامه‌هایی که خروجی نهایی فقط به صورت دیجیتال مورد نیاز است، می‌توان از سنسورهای دمای آنالوگ همراه با مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) استفاده کرد. این ترکیب، کار طراح را ساده می‌کند و منجر به صرفه‌جویی در هزینه، فضا و انرژی نیز می‌شود.
