溫度感應技術的應用非常廣泛，在各類消費性電子、玩具、家用電器、工業測量產品以及個人電腦裡，都扮演了不可或缺的角色。熱敏電阻（thermistor）是傳統上最常見的溫度感應元件，不過IC溫度感應器（temperature sensor）也出現在同樣的應用領域中。究竟兩者之間的分別何在？孰優孰劣？工程師選擇時又應該注意哪些事項？美國國家半導體針對IC溫度感應器與熱敏電阻的效能做出一系列的測試。本文將探討其測試結果，希望能為相關設計人員提供一些參考準則。

熱敏電阻的傳統優勢

對於熱敏電阻最常見的評價不外乎價格優勢、各種不同的引腳封裝以及準確度：

一、價格

在大多數情況下，熱敏電阻單一元件的價格比IC溫度感應器低。然而，為了將熱敏電阻的阻值轉換成電壓值，需要一個精度為1％的上拉電阻，以便獲得準確的讀數；如果需要以數位方式讀出熱敏電阻的值，則必須再加用帶有不同介面(如I2C或SPI)的類比數位轉換器(ADC)。相較之下，單獨一顆IC溫度感應器晶片即可讀出電壓值，而不需外加元件。如果需要以數位方式讀出溫度值，也可輕易找到具不同輸出介面的單晶片數位IC溫度感應器。因此，以整體系統價格來說，採用IC溫度感應器的成本並不必然高於熱敏電阻。

另一方面，隨著溫度感應器製程技術不斷推陳出新，廠商也得以降低生產成本。例如，美國國家半導體最近推出的LM19，其價格就足以與熱敏電阻媲美。

二、各種各樣的封裝

如果不將感應器裝在電路板上，熱敏電阻較有優勢，但也僅限於此。若把感應器裝在印刷電路板(PCB)上，熱敏電阻的量測結果就與IC溫度感應器差不多；如果採用的是導熱性高的LLP封裝之IC溫度感應器的話，如LM20或LM74時，讀值又會更為精準。

三、準確度

事實上，因為用途不同，熱敏電阻的量測結果也不必然較為精準。測量小範圍內的溫度，例如體溫計，熱敏電阻因具備輸出微調能力，若配合精確的外加線路，可得到精確的讀值。IC溫度感應器則因受到安裝在電路板上的限制，可能無法直接接觸到測量物，因而影響到測量結果的準確度。但在允許在電路板上測量溫度且範圍較大的應用領域時，IC溫度感應器就會比熱敏電阻精確。細節會在下文的實驗章節中描述。

另一方面，使用熱敏電阻時，為了達到一致的準確度，必須對每批或每顆熱敏電阻調校。IC溫度感應器則在出廠時即完成測試，反而較能維持系統生產時的穩定性。

溫度讀取誤差的來源

讀取網路和功耗

熱敏電阻的電阻會隨著溫度而變化。工程師往往需建立一電阻網路以把電阻變化轉為電壓變化。

《圖一　熱敏電阻的電阻會隨著溫度而變化》

如(圖一)，上部的電阻會造成讀取資料的第一個錯誤。想要得到準確的結果，上部電阻的準確度必須不低於1％。再者，上部電阻的阻值還會影響整個網路的線性度和功耗，細節會在實驗章節裏說明。

與熱敏電阻相較，IC溫度感應器就較易於使用。IC溫度感應器裡有三個引腳，分別是Vcc、GND和Vout。一般而言，Vout與溫度呈線性關係，而CMOS製程能將耗電率降至最低。 IC溫度感應器一般都可承受一定範圍的Vcc變化，而不影響其輸出值。例如 LM20即可在2.4V 至5.5V範圍的Vcc下穩定地運作。

線性度

如讀取網路中所示，線性度也會造成讀取誤差，在溫度讀數範圍較寬時尤其如此。因此，為了彌補線性度不足的問題，熱敏電阻還需加裝一些類比線路，或者要在數位化過程完成後使用查閱表對照，而使得成本再度增加。

相較之下，IC溫度感應器則是以線性方式顯示溫度，而且不需要進行線性度補償。(圖二)為熱敏電阻與IC溫度感應器回應性能的範例：

《圖二　熱敏電阻與IC溫度感應器回應性能的範例》

數位化誤差

為了讀出數位世界中的溫度值，我們需要用類比數位轉換器(ADC)將類比輸出轉換為數位量。在此過程中，類比數位轉換器的線性誤差、量化誤差、偏移誤差、PSRR誤差與溫度的關係，都會造成整體系統的溫度讀取誤差，如(圖四)。

《圖三　類比數位轉換器的線性誤差、量化誤差、偏移誤差、PSRR誤差與溫度的關係》

如果又考量到最終系統的全部參數和誤差取決於多種因素，設計工作又更為複雜，可能還需要在生產現場進行系統校準。

IC數位溫度感應器則將感應器與數位化功能整合在單一晶片內，其數位輸出級在出廠前經過測試，以排除一切誤差來源。因為整個晶片的準確度度有了保證，也就能夠立刻被採用。舉例來說，LM92的技術規格為30℃時的準確度為0.33℃，工程師就可以立即從I2C匯流排獲得準確的數位讀數而無須校準。

熱敏電阻與LM20 的對照實驗

比較組設計

為比較熱敏電阻和IC溫度感應器LM20的效能高低，我們進行了以下實驗，並將兩者的設置控制到盡可能相同的程度。實驗電路如(圖五)。

《圖四　熱敏電阻和IC溫度感應器LM20實驗電路》

LM20是美國國家半導體公司新推出的一款類比溫度感應器，採用SC-70或Micro-SMD封裝，體積小巧，尤其適用於手機。另外，採用TO-92封裝的LM19也具有相同的性能。

在此使用的熱敏電阻是Murata NTH5G10P/16P33B103F。

熱敏電阻的非線性及功耗

首先，我們需要確定熱敏電阻設置中的上拉電阻。如上一節中所說明的，電阻值的選取可能造成不同的線性度和功耗。

在97.6 K歐姆的上拉電阻下，非線性情況相當嚴重，而且較高溫度範圍內斜率的下降也將降低ADC的解析度。

《圖五　97.6 K歐姆的上拉電阻下，非線性情況相當嚴重》

隨著上拉電阻減至4.7K歐姆，熱敏電阻設置的線性度有所改善，但功率消耗也因而增高。功耗增加導致熱敏電阻網路的自熱現象，因而產生讀取誤差。隨著系統使用時間增長，自熱效應造成的誤差也會更為嚴重。

目前為止，熱敏電阻的非線性與自熱問題仍然無法同時獲得解決。IC溫度感應器卻能真正地同時獲得高線性度與低自熱的性能。

實驗結果

在這些設置條件下，熱敏電阻與IC溫度感應器的特性如(圖六)所示。

《圖六　熱敏電阻與IC溫度感應器的特性》

從圖中可明顯看出：在較低溫度範圍內，兩種設置的誤差大致相同，而熱敏電阻的準確度甚至要再高一些。但在50℃以上的較高溫度範圍內，熱敏電阻的讀數準確度降低，而且隨著溫度升高，準確度也跟著降低。

因為溫度感應器往往需要在高溫範圍內執行系統保護的功能，，如果使用熱敏電阻而不加線性補償線路，發出假警報的機率將會增高，對使用者就會形成不小的困擾。

另一方面，IC溫度應測器消耗的功率只有熱敏電阻的三分之一(10uA vs. 30uA)。

使用IC溫度感應器與熱敏電阻的判定標準