电子技术在温度传感器中的应用研究

李楠

摘要：智能传感器是汽车自动控制系统的重要组成部分，其技术特点可直接影响汽车自动控制系统的性能。在现代汽车电子技术设计中，传感器是基于模糊控制和人工神经网络技术的重要功能元件，通过计算机技术的结合应用，智能传感器实现了现代汽车的智能发展。

关键词：电子技术；温度传感器；应用研究

引言

随着汽车电子技术的迅速发展，智能传感器的范围和应用越来越广，保证了汽车的安全和智能。因此，为了确保汽车工业的健康和长期发展，需要更加重视智能传感器，并对其进行深入分析和探索。

1COMS正反馈式温度传感器概述

本次研究的正反馈温度传感器是一种新的正反馈温度传感器，应用于半导体集成电路上的热量管理。在具体设计中，计算放大器中的正反馈结构在PTA电流转换电路中进行调整，与电阻相结合，使半导体器件中的低温变化信号可以进一步放大，输出摆幅可以大幅度增大，达到1这种温度传感器对于监测内置芯片(如集成系统、储存罐和非制冷红外探测器)的温度非常有用。

2传感器分类

共有五种常见的传感器类型。1)空气循环传感器，分为空气动力循环传感器、卡门陀螺空气循环传感器、直线空气循环传感器和热膜空气循环传感器。2)进气歧管压力传感器。它包括半导体压力敏感型进气歧管压力传感器和容量进气歧管压力传感器两种类型。3)温度传感器。根据温度传感器检测对象，可分为发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器和排气温度传感器三种类型。(4)阀门开口传感器，主要分为线性信号输出类型、开放信号输出类型和组合类型。(5)氧传感器。根据应用材料和检测原理，可分为氧化锆传感器和氧化钛传感器。

3温度传感器设计中的电子技术应用分析

3.1在PTAT电路结构设计中的应用

在本次所研究的COMS正反馈式温度传感器中，其温度传感器应用的是PTAT型电流源结构，通过该结构的应用，可实现系统误差的有效降低。在传统形式的温度传感器中，PTAT结构主要是在handgap这一结构基础上衍生而来，而其PTAT电流到温度的转化与相应的电压输出仅仅通过简单的电阻来实现，且电压输出范围很小，测量精度不高。基于此，在本次设计中，为有效解决传统温度传感器的设计弊端，特在电路中加设了运算放大器正反馈结构，使其和电阻之间进行有效结合，这样便可对器件中微弱的温度信号变化进行有效的放大处理，以此来实现输出电压的显著提升。下图是PTAT温度传感器电路传统结构（左）和正反馈新型结构示意图（右）。在PTAT温度传感器正反馈新型结构中，Q1以及Q2应用的是NPN晶体管，具体设计中，将Q1的发射极面积设计为Q2发射极面积的8倍，其他各项参数保持一致。然后通过正反馈的形式进行连接，并对微弱的温度变化信号进行放大处理。对于PTAT温度传感器的传统结构，如果将其中的MOS管M1、M2以及M3的宽长比设计为1:2:3。改进设计中，则需要按照以下的公式来进行计算：

在以上公式中，有VT=kT/q；其中，VBE1代表M1电压输出值；VBE2代表M2电压输出值；VR3代表M3电压输出值；Is代表晶体管发射机中的反向饱和电流值；k代表的是波尔兹曼常数；q代表的是电子所具有的电荷量；T代表的是温度绝对值；Vtenp代表瞬态电压输出值。同时也有Is1=18Is2。

在本次设计中，应用的是虚短接法，其中有：

在该情况下，可以将公式（2）转变为以下形式：

可以将公式（3）转变为以下形式：

可以将公式（4）转变为以下形式：

将公式（6）（7）（8）联立可得出：

通过公式（9）可知，在本次基于电子技术所设计的PTAT温度传感器正反馈新型结构中，输出电压和温度之间具有正比关系。因此，在通过该温度传感器进行温度监测的过程中，当前的温度变化情况可通过Vtemp来表示。

3.2温度传感器

汽车电子温度传感器通常用于实时检测冷却水、发动机、燃料和吸入气体的温度。在实时运行过程中，温度传感器将上述温度参数转换为相应的实时电气信号当今的温度传感器通常可以检测汽车车轮的温度，从而科学地确定路面和车轮之间的摩擦状态，并使用相应的智能控制器合理地动态控制汽车速度。同时，这些传感器还可以动态检测汽车内外的实时温度，从而可以判断发动机的工作范围，以便在科学上控制发动机转速，有效延长发动机的应用寿命，依据常用的温度传感器包括:(1)热敏感传感器:这些传感器灵敏度高，响应特性高，但温度不高；(2)卷绕电阻:这些传感器检测精度高，但响应效果不佳。(3)热电联产:这些传感器的探测精度和温度范围很广，但冷端处理是一个需要优先考虑的问题.

3.3在运算放大器设计中的应用

在本次基于电子技术设计的PTAT温度传感器中，关于运算放大器，其主要的要求包括两个方面，第一，需要将失调电压有效降低，让运算放大器的增益达到75dB以上；第二，为避免电源波动对于输出电压的过大影响，需要将电源抑制比控制在-75dB以下。基于此，在本次的温度传感器设计中，选择了共源共栅折叠形式的运算放大器，相比较传统的套筒放大器而言，其共模输入范围更大，可在后续的偏执电压设置中提供足够便利。下图是本次基于电子技术设计的PTAT温度传感器运算放大器电路结构示意图。其中，M1-M5代表电流源；M6-M16代表偏置电路，其主要功能是对运算放大器进行偏置电压的提供；M17-M27代表运算放大器中的放大结构；M18和M19代表PMOS中的差分输入对。具体设计中，应用的是UMC0.18μmCOMS工艺，在电容负载是1pF，温度分别是-45℃、-15℃、15℃、45℃、75℃、105℃以及125℃条件下进行运算放大器电路的模拟仿真。通过仿真结果分析发现，当处在不同温度条件下时，该运算放大器自身的增益值都可以超过75dB。通过计算与分析发现，在温度是125℃时的增益值最小，其增益值仅仅是78.3dB；在温度是-45℃时的增益值最大，其增益值达到了83.82dB。这与该温度传感器的实际应用需求完全相符。当处在不同温度条件下时，该运算放大器的电源控制比都可以低于-75dB。通过计算与分析发现，在温度是125℃时的控制比最大，其控制比是-83.51dB；在温度是-45℃时的控制比最小，其控制比是-85.26dB。这与该温度传感器的实际应用需求完全相符。

结束语

总体而言，随着汽车智能的加深，汽车舒适性和安全性日益受到重视，汽车驾驶中对系统可靠性的要求也日益增加，汽车智能传感器技术的应用将变得越来越重要，传感器的发展前景也将越来越广阔。多功能智能传感器技术的研究将促进汽车电子的发展。本文分析了传感器在汽车发动机、汽车底盘和汽车车身控制系统中的使用情况，并得出了有益的结论，有助于对传感器未来技术的研究。

参考文献

[1]谷彦庆.传感器在汽车电子控制系统中的应用[J].汽车与新动力,2022,5(02):65-67.

[2]周美玲,刘欣欣.汽车电子技术中传感器的应用探讨[J].信息记录材料,2019,20(09):107-108.

[3]缪杰.电子技术在电气控制中的应用[J].电子技术与软件工程,2019(12):85.

[4]吴琼,常柏灵.电子技术在温度传感器中的应用[J].仪器仪表与分析监测,2019(04):9-11.

[5]吴琼.电子技术在温度传感器中的应用[J].传感器技术,2019(03):52-5