大多數(shù)一般應(yīng)用的溫度測(cè)量在相當(dāng)有限的范圍內(nèi)進(jìn)行，介于水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)（0 °C 至 100 °C）之間，但還有許多情況超出了這兩個(gè)溫度水平。幸運(yùn)的是，市面上提供有額定溫度范圍為 -50 °C 至 +125 °C 的低成本、易使用的固態(tài)傳感器，還有一些特殊傳感器支持更廣的溫度范圍。此外，熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 和熱敏電阻可以處理更寬的溫度范圍。

 

例如，Vishay Components 的PTCSL03T091DT1E 熱敏電阻的額定溫度范圍為-40 °C (277 K)至+165 °C (438 K)，而TE Connectivity Measurement Specialties 的R-10318-69 T 型熱電偶 支持-200 °C (73 K) 至+350 °C (623 K) 的更寬范圍。通常，針對(duì)這些測(cè)量的傳感器不難找到，挑戰(zhàn)在于傳感器的實(shí)際應(yīng)用。

 

當(dāng)溫度極高，甚至達(dá)到數(shù)千度時(shí)，傳感器的選擇較為有限，通常只能在不同類型的熱電偶或紅外傳感裝置之間進(jìn)行選擇。由于被測(cè)源處于高溫，因此傳感器需要捕獲大量能量，同時(shí)對(duì)被測(cè)源的影響最小。

 

但是，如何測(cè)量那些相當(dāng)?shù)偷臏囟?，例如低至兩位?shù)（幾十K）、個(gè)位數(shù)（1到9 K）、甚至個(gè)位數(shù)以下 (<1 K) 區(qū)間的溫度？有些研究甚至低至0.01 K，《IEEE綜覽》最近的一篇文章《量子計(jì)算：原子鐘產(chǎn)生更持久的量子位》(Quantum Computing: Atomic Clocks Makefor Longer-Lasting Qubits) 討論了100 nK以下的研究工作。（如何實(shí)現(xiàn)如此低的溫度是另一個(gè)引人入勝的故事！）

 

然而，如何確切知曉處于如此低的溫度？精確可靠的低溫測(cè)量是一個(gè)非常奇異的領(lǐng)域，原因如下：

 

首先，雖然物理定律仍然有效，但材料會(huì)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，其特征和行為也會(huì)發(fā)生根本變化。在低K區(qū)，傳感器性能、線性度和其他關(guān)鍵特性會(huì)有顯著變化。我們對(duì)水變成冰或蒸汽的原理了然于胸，但對(duì)低K區(qū)的變化卻難以掌握。

 

其次，測(cè)量方法通常與用于達(dá)到這些溫度的方法密切相關(guān)。例如，數(shù)T磁場(chǎng)（multi-Tesla magnetic fields）常常是過(guò)冷裝置的重要部分（相關(guān)方法和原因是另一個(gè)話題），而這些磁場(chǎng)會(huì)對(duì)傳感裝置及其元件產(chǎn)生重大影響。

 

第三，深冷項(xiàng)目常常涉及極少量的質(zhì)量，某些情況下可能僅為幾個(gè)原子或分子。所以，我們面臨雙重難題：能量低且數(shù)量少的分子。顯然，無(wú)法連接傳感器，即使可以，傳感器也會(huì)嚴(yán)重影響被測(cè)物質(zhì)。在很多方面，這是量子物理學(xué)的海森堡不確定性原理的必然結(jié)果，即測(cè)量操作會(huì)影響被測(cè)對(duì)象。

 

然而，科學(xué)家和研究人員仍然需要進(jìn)行這種測(cè)量。他們有多種選擇，取決于溫度低到什么程度和測(cè)量對(duì)象是什么（固體、氣體狀團(tuán)簇中的分子或個(gè)別分子），而且在0K附近有大量的研究和許多實(shí)際應(yīng)用。相對(duì)而言，處理火箭燃料所用的液氧（90 K，-183 °C）和液氫（20 K，-253 °C）要容易一些，處理液氮（77 K，-196 °C）也是如此。相比之下，液氦溫度在4K (−269 °C) 左右——它用于將MRI機(jī)器的磁鐵冷卻到超導(dǎo)區(qū)間——評(píng)估難度要大得多。

 

溫度測(cè)量的關(guān)鍵是，務(wù)必牢記我們所謂的“溫度”實(shí)際上是衡量被測(cè)對(duì)象的能量。與幾乎所有溫度測(cè)量一樣，用戶必須首先考慮三個(gè)規(guī)格：所需的覆蓋范圍、絕對(duì)精準(zhǔn)確度，以及精度（分辨率）。然后，用戶需要評(píng)估測(cè)量裝置在這些溫度下的影響。

 

有些令人驚訝的是，一些在“普通”溫度下的常用傳感器甚至可以在較寬的個(gè)位數(shù)區(qū)間內(nèi)工作（圖1），其中包括RTD（使用鉑或銠鐵）、鍺，甚至經(jīng)典的碳基電阻器。然而，這些裝置的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)引起幾K的傳感器誤差。研究現(xiàn)狀是，對(duì)低K傳感的需求非常大，以至于這些傳感器是許多供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)目錄產(chǎn)品（想一想，這是相當(dāng)驚人的）。

 

圖1：多種材料可用于測(cè)量超低K值的溫度，注意垂直刻度不是線性的。CLTS是一種低溫線性溫度傳感器，即由錳銅和鎳箔傳感網(wǎng)格組成的扁平柔性傳感器；RuO2是氧化釕。（圖片來(lái)源：ICE Oxford Ltd.）

 

更復(fù)雜的選擇包括在光纖中使用布里淵散射和其他復(fù)雜的光學(xué)技術(shù)。甚至“不起眼”的電容器也可以用于橋式裝置中，其物理尺寸和形狀以及電容會(huì)按已知的關(guān)系（精確建模的函數(shù)）隨溫度變化。

 

但這些技術(shù)不適用于測(cè)量少量分子的溫度，此類情況需要一些非常深?yuàn)W的方法。一種方案是采用具有精密梯度的強(qiáng)磁場(chǎng)掃描所捕獲的目標(biāo)，然后觀察其分子沿該磁場(chǎng)的分布；這種分布會(huì)指示分子的能量，從而得出溫度。另一種方案是用激光推動(dòng)分子，通過(guò)激光能量與所產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的關(guān)系得出目標(biāo)能量。這些方法以及其他復(fù)雜方法不僅難以構(gòu)建，而且需要對(duì)物理學(xué)的二階和三階微妙效應(yīng)以及系統(tǒng)缺陷進(jìn)行大量校正和補(bǔ)償。

 

因此，下次您想要抱怨溫度測(cè)量場(chǎng)景遇到的困難時(shí)，就想想那些需要在低K區(qū)間（甚至低至1 K）進(jìn)行測(cè)量的人吧。那是一個(gè)詭異的世界，任何研究人員還必須詢問(wèn)并回答永恒的儀器問(wèn)題：“如何校準(zhǔn)、確認(rèn)并驗(yàn)證讀數(shù)？”這幾乎是噩夢(mèng)！

 

關(guān)于作者

 

 

Bill Schweber 是一名電子工程師，撰寫(xiě)了三本關(guān)于電子通信系統(tǒng)的教科書(shū)，以及數(shù)百篇技術(shù)文章、意見(jiàn)專欄和產(chǎn)品特性說(shuō)明。他擔(dān)任過(guò)EE Times的多個(gè)特定主題網(wǎng)站的技術(shù)管理員，以及EDN的執(zhí)行編輯和模擬技術(shù)編輯。

 

在Analog Devices, Inc.（模擬和混合信號(hào) IC 的領(lǐng)先供應(yīng)商）工作期間，Bill從事?tīng)I(yíng)銷傳播（公共關(guān)系），對(duì)技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面均很熟悉，即向媒體展示公司產(chǎn)品、業(yè)務(wù)事例并發(fā)布消息，同時(shí)接收此類信息。

 

擔(dān)任Analog營(yíng)銷傳播職位之前，Bill在該公司頗受推崇的技術(shù)期刊擔(dān)任副主編，并且還在公司的產(chǎn)品營(yíng)銷和應(yīng)用工程部門(mén)工作過(guò)。在此之前，Bill曾在Instron Corp.工作，從事材料測(cè)試機(jī)器控制的實(shí)際模擬和電源電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成。

 

他擁有電氣工程碩士學(xué)位（馬薩諸塞州立大學(xué)）和電氣工程學(xué)士學(xué)位（哥倫比亞大學(xué)），是注冊(cè)專業(yè)工程師，并持有高級(jí)業(yè)余無(wú)線電許可證。Bill還規(guī)劃、撰寫(xiě)并講授了關(guān)于各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)、ADC選擇和驅(qū)動(dòng)LED。

 

來(lái)源：DigiKey  作者：Bill Schweber