温度感应技术的应用非常广泛，在各类消费性电子、玩具、家用电器、工业测量产品以及个人电脑里，都扮演了不可或缺的角色。热敏电阻（thermistor）是传统上最常见的温度感应元件，不过IC温度感应器（temperature sensor）也出现在同样的应用领域中。究竟两者之间的分别何在？孰优孰劣？工程师选择时又应该注意哪些事项？美国国家半导体针对IC温度感应器与热敏电阻的效能做出一系列的测试。本文将探讨其测试结果，希望能为相关设计人员提供一些参考准则。

热敏电阻的传统优势

对于热敏电阻最常见的评价不外乎价格优势、各种不同的引脚封装以及准确度：

一、价格

在大多数情况下，热敏电阻单一元件的价格比IC温度感应器低。然而，为了将热敏电阻的阻值转换成电压值，需要一个精度为1％的上拉电阻，以便获得准确的读数；如果需要以数位方式读出热敏电阻的值，则必须再加用带有不同介面(如I2C或SPI)的类比数位转换器(ADC)。相较之下，单独一颗IC温度感应器晶片即可读出电压值，而不需外加元件。如果需要以数位方式读出温度值，也可轻易找到具不同输出介面的单晶片数位IC温度感应器。因此，以整体系统价格来说，采用IC温度感应器的成本并不必然高于热敏电阻。

另一方面，随着温度感应器制程技术不断推陈出新，厂商也得以降低生产成本。例如，美国国家半导体最近推出的LM19，其价格就足以与热敏电阻媲美。

二、各种各样的封装

如果不将感应器装在电路板上，热敏电阻较有优势，但也仅限于此。若把感应器装在印刷电路板(PCB)上，热敏电阻的量测结果就与IC温度感应器差不多；如果采用的是导热性高的LLP封装之IC温度感应器的话，如LM20或LM74时，读值又会更为精准。

三、准确度

事实上，因为用途不同，热敏电阻的量测结果也不必然较为精准。测量小范围内的温度，例如体温计，热敏电阻因具备输出微调能力，若配合精确的外加线路，可得到精确的读值。 IC温度感应器则因受到安装在电路板上的限制，可能无法直接接触到测量物，因而影响到测量结果的准确度。但在允许在电路板上测量温度且范围较大的应用领域时，IC温度感应器就会比热敏电阻精确。细节会在下文的实验​​章节中描述。

另一方面，使用热敏电阻时，为了达到一致的准确度，必须对每批或每颗热敏电阻调校。 IC温度感应器则在出厂时即完成测试，反而较能维持系统生产时的稳定性。

温度读取误差的来源

读取网路和功耗

热敏电阻的电阻会随着温度而变化。工程师往往需建立一电阻网路以把电阻变化转为电压变化。

《图一 热敏电阻的电阻会随着温度而变化》

如(图一)，上部的电阻会造成读取资料的第一个错误。想要得到准确的结果，上部电阻的准确度必须不低于1％。再者，上部电阻的阻值还会影响整个网路的线性度和功耗，细节会在实验章节里说明。

与热敏电阻相较，IC温度感应器就较易于使用。 IC温度感应器里有三个引脚，分别是Vcc、GND和Vout。一般而言，Vout与温度呈线性关系，而CMOS制程能将耗电率降至最低。 IC温度感应器一般都可承受一定范围的Vcc变化，而不影响其输出值。例如 LM20即可在2.4V 至5.5V范围的Vcc下稳定地运作。

线性度

如读取网路中所示，线性度也会造成读取误差，在温度读数范围较宽时尤其如此。因此，为了弥补线性度不足的问题，热敏电阻还需加装一些类比线路，或者要在数位化过程完成后使用查阅表对照，而使得成本再度增加。

相较之下，IC温度感应器则是以线性方式显示温度，而且不需要进行线性度补偿。 (图二)为热敏电阻与IC温度感应器回应性能的范例：

《图二 热敏电阻与IC温度传感器响应性能的范例》

数位化误差

为了读出数位世界中的温度值，我们需要用类比数位转换器(ADC)将类比输出转换为数位量。在此过程中，类比数位转换器的线性误差、量化误差、偏移误差、PSRR误差与温度的关系，都会造成整体系统的温度读取误差，如(图四)。

《图三 模拟数字转换器的线性误差、量化误差、偏移误差、PSRR误差与温度的关系》

如果又考量到最终系统的全部参数和误差取决于多种因素，设计工作又更为复杂，可能还需要在生产现场进行系统校准。

IC数位温度感应器则将感应器与数位化功能整合在单一晶片内，其数位输出级在出厂前经过测试，以排除一切误差来源。因为整个晶片的准确度度有了保证，也就能够立刻被采用。举例来说，LM92的技术规格为30℃时的准确度为0.33℃，工程师就可以立即从I2C汇流排获得准确的数位读数而无​​须校准。

热敏电阻与LM20 的对照实验

比较组设计

为比较热敏电阻和IC温度感应器LM20的效能高低，我们进行了以下实验，并将两者的设置控制到尽可能相同的程度。实验电路如(图五)。

《图四 热敏电阻和IC温度传感器LM20实验电路》

LM20是美国国家半导体公司新推出的一款类比温度感应器，采用SC-70或Micro-SMD封装，体积小巧，尤其适用于手机。另外，采用TO-92封装的LM19也具有相同的性能。

在此使用的热敏电阻是Murata NTH5G10P/16P33B103F。

热敏电阻的非线性及功耗

首先，我们需要确定热敏电阻设置中的上拉电阻。如上一节中所说明的，电阻值的选取可能造成不同的线性度和功耗。

在97.6 K欧姆的上拉电阻下，非线性情况相当严重，而且较高温度范围内斜率的下降也将降低ADC的解析度。

《图五97.6 K欧姆的上拉电阻下，非线性情况相当严重》

随着上拉电阻减至4.7K欧姆，热敏电阻设置的线性度有所改善，但功率消耗也因而增高。功耗增加导致热敏电阻网路的自热现象，因而产生读取误差。随着系统使用时间增长，自热效应造成的误差也会更为严重。

目前为止，热敏电阻的非线性与自热问题仍然无法同时获得解决。 IC温度感应器却能真正地同时获得​​高线性度与低自热的性能。

实验结果

在这些设置条件下，热敏电阻与IC温度感应器的特性如(图六)所示。

《图六 热敏电阻与IC温度传感器的特性》

从图中可明显看出：在较低温度范围内，两种设置的误差大致相同，而热敏电阻的准确度甚至要再高一些。但在50℃以上的较高温度范围内，热敏电阻的读数准确度降低，而且随着温度升高，准确度也跟着降低。

因为温度感应器往往需要在高温范围内执行系统保护的功能，，如果使用热敏电阻而不加线性补偿线路，发出假警报的机率将会增高，对使用者就会形成不小的困扰。

另一方面，IC温度应测器消耗的功率只有热敏电阻的三分之一(10uA vs. 30uA)。

使用IC温度感应器与热敏电阻的判定标准