Hochpräzise Temperaturmessung mit fortschrittlichen Silizium-Sensoren

Die Elektronikindustrie fordert immer höhere Genauigkeit – Temperatursensorik bildet da keine Ausnahme. Viele Lösungen existieren, jede mit Vor- und Nachteilen. Silizium-Temperatursensoren sind zwar recht linear, boten aber nie die Genauigkeit anderer Technologien. Jüngste Fortschritte ermöglichen nun jedoch hohe Auflösung und Präzision mit Silizium-Lösungen.

Ein neuer Gefrierschrank

März 2020: Großbritannien stand vor dem Lockdown. Die Welt hamsterte Lebensmittel, die Zukunft war ungewiss. Dann fiel der Gefrierschrank im Haushalt Bramble aus. Mit Kenny Rogers' „You Picked a Fine Time to Leave Me“ im Kopf suchten wir online nach Ersatz.

Wenige Tage später traf der neue Gefrierschrank ein – mit digitaler Temperaturanzeige, ganz nach Mrs. Brambles Wunsch. Die empfohlene Einstellung: −18 °C. Nach einer Stunde zeigte das Gerät die Zieltemperatur an. Ich war skeptisch, was die Genauigkeit der Anzeige anging, kümmerte mich aber nicht weiter, solange das Essen gefror. Doch ein Ingenieursgeist ruht nicht: Nach Tagen des scheinbar weisen, unbeweglichen Digitaldisplays, das mich mit seiner selbstbewussten Ansage herausforderte, gab ich nach. Ich musste die Genauigkeitsbehauptungen testen.

Temperatursensoren im Überblick

In industriellen Anwendungen gibt es vielfältige Temperatursensoren, jeweils mit Vor- und Nachteilen. Da viele Texte deren Funktionsweise detailliert beschreiben, fasse ich hier nur zusammen.

Thermoelemente

Thermoelemente bieten kostengünstige, mäßig genaue Messung sehr hoher Temperaturen. Sie nutzen die Spannung zwischen zwei Junctions aus ungleichen Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen (Seebeck-Effekt, 1821). Ein K-Typ (Chromel/Alumel) liefert ca. 41 µV/°C und misst über 1000 °C. Da der Seebeck-Effekt eine Temperaturdifferenz benötigt, muss der „kalte“ Junction auf bekannter Temperatur gehalten werden – ironischerweise erfordert das einen weiteren Temperatursensor (z. B. AD8494). Durch geringe thermische Masse reagieren Thermoelemente schnell.

RTDs (Platin-Widerstandsthermometer)

Für moderate Temperaturen (<500 °C) sind RTDs weit verbreitet. Ein Metallelement (meist Platin) ändert seinen Widerstand positiv mit der Temperatur. Der PT-100 (100 Ω bei 0 °C) ist der Industriestandard. Hohe Linearität und Wiederholbarkeit. Benötigt präzisen Treibstrom für spannungsproportionale Messung. Leitungswiderstände verfälschen die Messung – daher 3- oder 4-Leiter-Technik (Kelvin-Sensing).

Thermistoren

Für niedrige Temperaturen und kostensensible Anwendungen oft ausreichend. Stark nichtlinear (Steinhart-Hart-Gleichung), Widerstand sinkt mit steigender Temperatur. Vorteil: Große Widerstandsänderung bei kleinen Temperaturänderungen ermöglicht hohe Genauigkeit trotz Nichtlinearität. Schnelle thermische Antwort. Individuelle Nichtlinearitäten sind gut definiert und kalibrierbar (z. B. mit LTC2986).

Dioden / Transistoren – die Silizium-Lösung

Zur Prüfung des neuen Haushaltsgeräts wählte ich einen Silizium-Temperatursensor: Funktioniert out-of-the-box, benötigt keine Kaltstellenkompensation oder Linearisierung, gibt es mit Analog- und Digitalausgang, vorkalibriert. Bisher boten sie nur mäßige Genauigkeit – gut genug für Gerätezustandsüberwachung, aber nicht für Körpertemperatur (±0,1 °C nach ASTM E1112). Das änderte sich mit ADT7422 (±0,1 °C) und ADT7320 (±0,2 °C).

Ein Siliziumsensor nutzt die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung Vbe eines Transistors (Ebers-Moll-Gleichung, approximiert):

Dabei sind Ic Kollektorstrom, Is Sättigungsstrom, q Elementarladung, k Boltzmann-Konstante, T absolute Temperatur.

Warum Transistor statt Diode? In einer Diode fließt ein Rekombinationsstrom durch die Sperrschicht, der Nichtlinearität in Vbe und Temperatur erzeugt. Im Bipolartransistor fließt dieser Strom in die Basis, nicht in den Kollektor – die Nichtlinearität ist daher viel geringer.

Umgestellt ergibt sich:

Is ist klein gegen Ic, der „1“-Term entfällt. Vbe ändert sich linear mit logarithmischem Ic. Sind Ic und Is konstant, ändert sich Vbe linear mit der Temperatur (da k, q konstant). Ein konstanter Kollektorstrom in einen Transistor zu zwingen und die Vbe-Änderung zu messen, ist einfach.

Is hängt von Transistorgeometrie ab und verdoppelt sich ca. alle 10 °C. Trotz Dämpfung durch den Logarithmus bleibt das Problem: Der absolute Vbe-Wert variiert zwischen Transistoren – Kalibrierung nötig. Praktische Siliziumsensoren nutzen daher zwei identische Transistoren mit Strömen Ic und 10Ic. Identische Transistoren und ratiometrisch genaue Ströme lassen sich im IC leicht fertigen. Der logarithmische Stromunterschied bewirkt lineare Vbe-Änderung; die Differenz der Vbe wird gemessen.

Für zwei Transistoren bei gleicher Temperatur gilt:

Da ln(10·Ic/Is) − ln(Ic/Is) = ln(10):

Daraus folgt:

Durch Erzwingen unterschiedlicher Ströme und Messen der Vbe-Differenz entfallen der nichtlineare Is-Term, unterschiedliche absolute Vbe-Werte und alle geometriebedingten Nichtlinearitäten. Da k, q und ln10 konstant sind, ist die Vbe-Differenz proportional zur absoluten Temperatur (PTAT). Bei 10-fachem Stromverhältnis ändert sich die Differenz linear mit ca. 198 µV/°C. Eine vereinfachte Schaltung zeigt Abbildung 1.

Abbildung 1. Grundschaltung zur Temperaturmessung.

Die Ströme müssen sorgfältig gewählt werden: Zu hoch → Selbstheizung und Spannungsabfälle an internen Widerständen verfälschen das Ergebnis. Zu niedrig → Leckströme verursachen signifikante Fehler.

Hinweis: Die Gleichungen beziehen sich auf Kollektorstrom, Abbildung 1 zeigt konstanten Emitterstrom. Transistoren können so designed werden, dass das Kollektor-Emitter-Stromverhältnis gut definiert (≈1) ist – Kollektorstrom ist dann proportional zum Emitterstrom.

Das ist erst der Anfang. Für ±0,1 °C Genauigkeit sind umfangreiche Charakterisierung und Trimmung nötig.

Ist es ein Vogel? Ein Flugzeug?

Nein – ein Super-Thermometer. Der unkalibrierte Siliziumsensor wird in ein Silikonölbad gegeben und auf präzise Temperatur erhitzt, gemessen mit einem Super-Thermometer (Genauigkeit < 10⁻⁵ °C). Sicherungen im Sensor werden geblasen, um den Gain zu trimmen und die Ausgabe mittels y = mx + C zu linearisieren. Das Silikonöl sorgt für sehr uniforme Temperatur, viele Chips können in einem Zyklus kalibriert werden.

Der ADT7422 erreicht ±0,1 °C im Bereich 25–50 °C (zentriert um 38 °C Körpertemperatur) – ideal für Vitalzeichen-Monitoring. Der ADT7320 ist auf ±0, 2 °C getrimmt über −10 °C bis +85 °C für industrielle Anwendungen.

Abbildung 2. ADT7422 auf 0,8 mm dicker PCB.

Kalibrierung ist nicht das einzige Problem. Wie bei ultrapräzisen Spannungsreferenzen können mechanische Spannungen auf dem Die die Genauigkeit verderben: Thermische Ausdehnung von PCB, Leadframe, Plastikgehäuse und exposed Pads müssen berücksichtigt werden. Der Lötprozess (Reflow bis 260 °C) weicht das Gehäuse auf, verformt den Leadframe; beim Abkühlen verhärtet das Plastik und sperrt mechanische Spannung im Die ein. Analog-Devices-Ingenieure investierten viele Mannmonate, um zu finden, dass 0,8 mm PCB-Dicke der „Sweet Spot“ ist – ±0,1 °C auch nach dem Löten erreichbar.

Inside the Software

Der Großteil der Software formatiert Daten vom ADT7320 und zeigt sie auf dem LCD an. Datenabruf ist trivial. Bei Prozessorinitialisierung sind CS und SCLK high, SCLK idlet high zwischen Konvertierungen. CS low initiiert Datentransaktion. Bei SPI: Daten auf steigender SCLK-Flanke eingelesen, auf fallender ausgegeben. Initialisierungsroutine:

Serielles Interface zurücksetzen: CS low, DOUT high, SCLK 40× toggeln. CS high. Damit werden 40 „1“ in den ADT7320 getaktet, Interface resettet. Mindestens 500 µs Wartezeit nach Reset.

Nächster Block sendet Command-Byte (Read/Write, Registeradresse).

data = 0b00001000;

schreibt in Register 0x01. 16-Bit-Modus programmieren:

data = 0b10000000;

DOUT auf „0“ vorkonditionieren, MSB prüfen, DOUT auf „1“ wenn MSB=1. SCLK high taktet Daten ein.

void reset_adt7320(void) {
    unsigned char n, data;
    clearbit(PORTA, CS);
    setbit(PORTA, DOUT);
    for(n=40; n>0; n--) {
        clearbit(PORTA, SCLK);
        setbit(PORTA, SCLK);
    }
    setbit(PORTA, CS);
    delay_10ms(); /* >500us nach Reset */
    clearbit(PORTA, CS);
    data = 0b00001000; /* Bit 6 clear (Write), Reg #001 */
    for(n=8; n>0; n--) {
        clearbit(PORTA, SCLK);
        clearbit(PORTA, DOUT);
        if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); }
        setbit(PORTA, SCLK);
    }
    data = 0b10000000; /* continuous conversion, 16 bits */
    for(n=8; n>0; n--) {
        clearbit(PORTA, SCLK);
        clearbit(PORTA, DOUT);
        if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); }
        setbit(PORTA, SCLK);
    }
    setbit(PORTA, CS);
}

Temperaturdaten lesen: Command-Byte data = 0b01010000; (Read Register 2, 16-Bit-Daten). Mindestens 240 ms für Konvertierung warten. Dann 16 Bit auslesen, CS high.

clearbit(PORTA, CS);
data = 0b01010000;
for(n=8; n>0; n--) {
    clearbit(PORTA, SCLK);
    clearbit(PORTA, DOUT);
    if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); }
    setbit(PORTA, SCLK);
}
delay_150ms();
delay_150ms();
for(n=16; n>0; n--) {
    clearbit(PORTA, SCLK);
    if checkbit(PORTA, DIN) { setbit(temp, (n-1)); }
    setbit(PORTA, SCLK);
}
setbit(PORTA, CS);

Kompletter Code verfügbar hier.

Wie kalt sind meine Würstchen genau?

ADT7320 ca. 30 Min im Gefrierschrank. Abbildung 3 zeigt −18,83 °C.

Abbildung 3. Gefrierschranktemperatur −18,83 °C.

Beeindruckend genau – Lebensmittel benötigen diese Präzision nicht. Büro an einem Sommertag in UK: 22,87 °C (Abb. 4).

Abbildung 4. Bürotemperatur 22,87 °C.

Fazit

Silizium-Temperatursensoren haben enorme Fortschritte gemacht und ermöglichen hochpräzises Vitalzeichen-Monitoring. Die Technologie basiert auf gutem Fundament, doch die Trimmung auf Sub-Grad-Genauigkeit erfordert massiven Aufwand. Selbst wenn diese Genauigkeit erreicht ist, können mechanische Spannungen und Lötprozess die Kalibrierungsgewinne zunichtemachen.

ADT7320 und ADT7422 repräsentieren den Stand der Technik nach Jahren der Charakterisierung für Sub-Grad-Präzision auch nach dem Auflöten.

Referenzen

Huijsing, Johan und Michiel Pertijis. Precision Temperature Sensors in CMOS Technology. Springer, 2006.
Horowitz, Paul und Winfield Hill. The Art of Electronics. Cambridge University Press, April 2015.
Analog Circuit Design, Volume 2, Chapter 32. Linear Technology, Dezember 2012.
AD590 Datasheet. Analog Devices, Inc., Januar 2013.
ADT5912 Data Sheet (to be released). Analog Devices, Inc.