在低功耗和高精度温度传感器领域，电力电子技术支撑着诸如电压调节、脉宽调制以及与数字处理单元的接口兼容性等功能。随着温度传感器越来越多地集成到功率密集且电磁环境恶劣的场景中，稳健且节能的电力电子设计对于保持测量精度和长期系统可靠性变得至关重要。

温度传感器的工作原理基于随温度变化的物理效应。例如，电阻温度计利用材料电阻随温度变化的特性。热电偶则利用塞贝克效应，当两种金属在一端连接且两端处于不同温度时，会产生电压。半导体温度传感器利用半导体参数随温度的变化。以数字低功耗温度传感器 SMT172 为例，它内部有两个双极型晶体管(BJT)被配置为电流源，对电容器进行充放电，并通过施密特触发器生成脉宽调制(PWM)信号。

图1

传感器信号被转换为电信号后，需要被传输出去以供处理和分析。传输可以是有线的，也可以是无线的。在工业环境中，通常使用屏蔽电缆来最大程度地减少电磁干扰的影响。而无线连接，例如通过无线电通信，则可以实现对不同环境下温度的远程监控。

温度传感器信号的传输方式主要有两种：模拟传输和数字传输。

为此，存在特殊的通信协议，如 I2C，可用于传感器与其他设备之间的数字通信。在模拟传输中，传感器信号以连续、非离散的电压或电流形式传输。该信号随测量的温度成比例变化。模拟信号容易受到干扰和失真，尤其是在长距离传输或存在电磁影响的区域。因此，处理模拟信号需要特殊的电路以避免质量损失。

另一种适用于长距离无损数据传输的方式是脉宽调制。PWM 是一种将信号——在这里是 SMT172 传感器的温度数据——转换为数字信号再进行传输的技术。

通过脉宽调制，利用一个周期性信号(载波)来传输信息。信息通过脉冲宽度相对于周期长度的比值进行编码。较宽的脉冲表示较高的温度值，较窄的脉冲则表示较低的温度。

温度传感器持续收集温度数据，然后将其转换为数字值。根据固定的方案，通过调节 PWM 的脉冲宽度来传输温度数据。

调制后的 PWM 数据通过合适的连接方式(例如电线)进行传输。

图2

接收端对数据进行解调以重建原始温度值。这是通过测量脉冲宽度，并根据预定义的调制方案将这些宽度转换为相应的温度值来实现的。

接收端可以是传统的微控制器(例如 STM32F030F4P6、STM32G031F4P6TR)，也可以是专用的测量设备。温度传感器产生的 PWM 信号的脉冲宽度与测得的温度成正比。微控制器测量该宽度值，并将其存储在寄存器或变量中。然后根据给定的比例关系或数学公式，将脉冲宽度转换为温度值。

在温度传感器中，自热效应是影响温度测量精度的关键因素。如果温度传感器通电，消耗的电能会产生热量，从而可能干扰对实际环境温度的测量。通过精心选择材料、设计和操作条件，可以将这种自热效应降至最低，SMT172 传感器即为一例。在高精度应用中，必须考虑潜在的自热效应并应用补偿方法。此外，Angst + Pfister 公司的 SMT172 传感器的自热效应可以忽略不计，因为其工作电流极小，并且通过机械结构设计最大限度地增加了向周围环境的散热。更重要的是，其每次测量仅耗能 0.36 微焦耳(µJ)，能效表现创纪录。

图3

基于晶圆的校准

温度传感器的晶圆级校准通过多个步骤完成，以确保传感器卓越的高精度：

将晶圆放入特殊的测试系统中，该系统会测量每个单独温度传感器的电气特性。在一片 6 英寸的晶圆上，大约有 7000 个传感器。

图4

将测得的电信号与已知的参考值进行比较，以确定温度传感器的精度。如果发现任何偏差，则计算相应的校正因子并将其应用于传感器。

在室温下，确定传感器的偏移量，并通过齐纳击穿调校(Zener-zapping)技术进行补偿。

校准完成后，会再次评估温度传感器，以确保校正过程达到了预期的精度。

校准和验证之后，将晶圆切割成单个的温度传感器芯片，并封装到不同的外壳中起保护作用。最知名的外壳有 TO18、TO92、TO220 和 SOT223。

这种基于晶圆的校准使得温度传感器具有极高的绝对精度和可重复性，因为整个过程是自动化完成的，并且晶圆上的单个传感器是在相似条件下生产的。因此，可以最大限度地减少单个传感器之间的差异。传感器在出厂前就已完成校准和调整。即使在安装或组装到传感器组件中之后，传感器仍能保持其绝对精度，无需重新校准。