大多數一般應用的溫度測量在相當有限的範圍內進行，介於水的冰點和沸點（0 °C 至 100 °C）之間，但還有許多情況超出了這兩個溫度水平。幸運的是，市麵上提供有額定溫度範圍為 -50 °C 至 +125 °C 的低成本
、易使用的固態傳感器，還有一些特殊傳感器支持更廣的溫度範圍。此外，熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD) 和熱敏電阻可以處理更寬的溫度範圍。

 

例如，Vishay Components 的PTCSL03T091DT1E 熱敏電阻的額定溫度範圍為-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) 的更寬範圍。通常
，針對這些測量的傳感器不難找到
，挑戰在於傳感器的實際應用。

 

當(dang)溫(wen)度(du)極(ji)高(gao)，甚(shen)至(zhi)達(da)到(dao)數(shu)千(qian)度(du)時(shi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)選(xuan)擇(ze)較(jiao)為(wei)有(you)限(xian)，通(tong)常(chang)隻(zhi)能(neng)在(zai)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)熱(re)電(dian)偶(ou)或(huo)紅(hong)外(wai)傳(chuan)感(gan)裝(zhuang)置(zhi)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)選(xuan)擇(ze)。由(you)於(yu)被(bei)測(ce)源(yuan)處(chu)於(yu)高(gao)溫(wen)

，因(yin)此(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)需(xu)要(yao)捕(bu)獲(huo)大(da)量(liang)能(neng)量(liang)，同(tong)時(shi)對(dui)被(bei)測(ce)源(yuan)的(de)影(ying)響(xiang)最(zui)小(xiao)。

 

但是，如何測量那些相當低的溫度，例如低至兩位數（幾十K）
、個位數（1到9 K）
、甚至個位數以下 (<1 K) 區間的溫度
？有些研究甚至低至0.01 K，《IEEE綜覽》最近的一篇文章《量子計算：原子鍾產生更持久的量子位》(Quantum Computing: Atomic Clocks Makefor Longer-Lasting Qubits) 討論了100 nK以下的研究工作。（如何實現如此低的溫度是另一個引人入勝的故事！）

 

然而，如何確切知曉處於如此低的溫度？精確可靠的低溫測量是一個非常奇異的領域
，原因如下：

 

首先，雖然物理定律仍然有效
，但材料會發生重大轉變

，其特征和行為也會發生根本變化。在低K區
，傳感器性能
、線性度和其他關鍵特性會有顯著變化。我們對水變成冰或蒸汽的原理了然於胸，但對低K區的變化卻難以掌握。

 

其次，測量方法通常與用於達到這些溫度的方法密切相關。例如，數T磁場（multi-Tesla magnetic fields）常常是過冷裝置的重要部分（相關方法和原因是另一個話題）
，而這些磁場會對傳感裝置及其元件產生重大影響。

 

第三，深冷項目常常涉及極少量的質量，某些情況下可能僅為幾個原子或分子。所以，我們麵臨雙重難題：能neng量liang低di且qie數shu量liang少shao的de分fen子zi。顯xian然ran
，無wu法fa連lian接jie傳chuan感gan器qi，即ji使shi可ke以yi，傳chuan感gan器qi也ye會hui嚴yan重zhong影ying響xiang被bei測ce物wu質zhi。在zai很hen多duo方fang麵mian
，這zhe是shi量liang子zi物wu理li學xue的de海hai森sen堡bao不bu確que定ding性xing原yuan理li的de必bi然ran結jie果guo，即ji測ce量liang操cao作zuo會hui影ying響xiang被bei測ce對dui象xiang。

 

然而，科學家和研究人員仍然需要進行這種測量。他們有多種選擇
，取決於溫度低到什麼程度和測量對象是什麼（固體
、氣體狀團簇中的分子或個別分子），而且在0K附近有大量的研究和許多實際應用。相對而言
，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——它用於將MRI機器的磁鐵冷卻到超導區間——評估難度要大得多。

 

溫度測量的關鍵是，務必牢記我們所謂的“溫度”實際上是衡量被測對象的能量。與幾乎所有溫度測量一樣，用戶必須首先考慮三個規格：所需的覆蓋範圍、絕對精準確度
，以及精度（分辨率）。然後
，用戶需要評估測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位數區間內工作（圖1），其中包括RTD（使用鉑或銠鐵）、鍺，甚至經典的碳基電阻器。然而，這些裝置的強磁場會引起幾K的傳感器誤差。研究現狀是，對低K傳感的需求非常大
，以至於這些傳感器是許多供應商提供的標準目錄產品（想一想，這是相當驚人的）。

 

圖1：多種材料可用於測量超低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格組成的扁平柔性傳感器；RuO2是氧化釕。（圖片來源：ICE Oxford Ltd.）

 

更複雜的選擇包括在光纖中使用布裏淵散射和其他複雜的光學技術。甚至“不起眼”的電容器也可以用於橋式裝置中，其物理尺寸和形狀以及電容會按已知的關係（精確建模的函數）隨溫度變化。

 

但dan這zhe些xie技ji術shu不bu適shi用yong於yu測ce量liang少shao量liang分fen子zi的de溫wen度du
，此ci類lei情qing況kuang需xu要yao一yi些xie非fei常chang深shen奧ao的de方fang法fa。一yi種zhong方fang案an是shi采cai用yong具ju有you精jing密mi梯ti度du的de強qiang磁ci場chang掃sao描miao所suo捕bu獲huo的de目mu標biao，然ran後hou觀guan察cha其qi分fen子zi沿yan該gai磁ci場chang的de分fen布bu；這zhe種zhong分fen布bu會hui指zhi示shi分fen子zi的de能neng量liang，從cong而er得de出chu溫wen度du。另ling一yi種zhong方fang案an是shi用yong激ji光guang推tui動dong分fen子zi，通tong過guo激ji光guang能neng量liang與yu所suo產chan生sheng運yun動dong的de關guan係xi得de出chu目mu標biao能neng量liang。這zhe些xie方fang法fa以yi及ji其qi他ta複fu雜za方fang法fa不bu僅jin難nan以yi構gou建jian，而er且qie需xu要yao對dui物wu理li學xue的de二er階jie和he三san階jie微wei妙miao效xiao應ying以yi及ji係xi統tong缺que陷xian進jin行xing大da量liang校xiao正zheng和he補bu償chang。

 

因此


，下次您想要抱怨溫度測量場景遇到的困難時，就想想那些需要在低K區間（甚至低至1 K）進行測量的人吧。那是一個詭異的世界，任何研究人員還必須詢問並回答永恒的儀器問題：“如何校準、確認並驗證讀數？”這幾乎是噩夢！

 

關於作者

 

 

Bill Schweber 是一名電子工程師
，撰寫了三本關於電子通信係統的教科書，以及數百篇技術文章、意見專欄和產品特性說明。他擔任過EE Times的多個特定主題網站的技術管理員，以及EDN的執行編輯和模擬技術編輯。

 

在Analog Devices, Inc.（模擬和混合信號 IC 的領先供應商）工作期間，Bill從事營銷傳播（公共關係），對技術公關職能的兩個方麵均很熟悉，即向媒體展示公司產品、業務事例並發布消息
，同時接收此類信息。

 

擔任Analog營銷傳播職位之前，Bill在該公司頗受推崇的技術期刊擔任副主編，並且還在公司的產品營銷和應用工程部門工作過。在此之前，Bill曾在Instron Corp.工作，從事材料測試機器控製的實際模擬和電源電路設計及係統集成。

 

他擁有電氣工程碩士學位（馬薩諸塞州立大學）和電氣工程學士學位（哥倫比亞大學），是注冊專業工程師，並持有高級業餘無線電許可證。Bill還規劃
、撰寫並講授了關於各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎知識、ADC選擇和驅動LED。

 

來源：DigiKey  作者：Bill Schweber