温度传感器报告的是其敏感元件的温度。这个温度可能接近周围空气、下方 PCB 或附近元件的温度，但仅凭距离近，并不能确定哪一处对读数起主导作用。
设计之初应先提出一个可测量的问题：读数应代表哪个位置、哪些工作模式下的什么温度？ 随后再定义允许误差和响应时间判据，然后选择布局。即使使用相同的传感器 IC，靠近外壳进气口的空气监测器与监测功率器件外壳的传感器，也可能需要相反的热传导路径。
先定义温度，再设计热路径
在很小的区域内，可能同时存在多种温度：
- 空气温度是指定位置处空气的温度。进入外壳的空气可能不同于离开外壳的空气，也可能不同于流经发热元件的空气。
- 传感器敏感元件温度是传感器主要响应的温度，读数还会受到电气误差和校准误差影响。
- PCB 表面温度对应特定板上位置和层叠结构，并不自动代表整块电路板的温度。
- 元件表面温度或外壳温度是元件外部指定测点的温度。
- 半导体结温位于器件内部。外壳或电路板上的传感器不会自动给出结温或内部最高温点。
对每项要求，都要指定参考位置、工作范围、可接受的稳态温差和响应定义。还要说明要求适用于启动、空闲、最大负载、风扇故障还是其他模式。如果产品实际需要的是结温，应考虑合适的结温感测方案，例如器件支持的远端二极管。那是另一种架构，需要单独进行电气和热验证，不能自动视为表面测量的等效方案。
两种假设架构
以下设计仅用于比较，并非规定的几何方案或性能声明。
架构 A：测量外壳内指定位置的空气
板载传感器安装在较窄的 PCB 延伸部或小型子板上，靠近指定的空气采样位置。电气连接应足以保证器件正常工作，同时减少与较暖电路板区域之间不必要的铜连接。外壳开口或气流通道应能让具有代表性的空气流经传感器。
预期热路径为空气 → 传感器封装 → 敏感元件。不希望出现的路径包括：热量从主 PCB 传导过来、温暖表面的辐射，以及已经被上游电子元件加热的空气。
这种方法可能改善对空气温度的跟踪，但隔热设计可能使传感器容易受到机械损伤，或让它处于气流停滞的区域。开口也可能使组件暴露于污染物，或让外部气流压过预期的内部气流。
架构 B：测量指定元件表面
一种可能的架构是使用独立小板或柔性尾板上的传感器，通过专门设计的固定结构将其压在元件外壳的指定测点上。必须针对实际传感器封装和元件确定合适的界面及安装方式。应检查公差链、允许接触的表面、压力、电气隔离和间距、材料兼容性、外壳或焊点可能受到的损伤，以及对元件自身散热的影响。通过相关振动和热循环验证装配后的接触情况。封装热路径和完整组件都需要验证；并非所有制造商的板载传感器示例都能证明这种直接接触方案有效。
预期热路径为元件表面 → 界面 → 传感器封装 → 敏感元件。传感器仍会受到其 PCB、附近铜箔、周围空气和热辐射的影响。接触压力、界面厚度和装配公差都可能改变测量结果。
这种架构不会自动成为结温监测器。如果传感器的板级连接从其他热源传来的热量超过界面从目标元件传来的热量，它也可能无法准确跟踪元件。
| 设计选择 | 预期收益 | 新风险或竞争热路径 | 验证内容 |
|---|---|---|---|
| A 中减少铜耦合 | 减少主板传来的热量 | 稳定时间变长，或带来电气、机械方面的折衷 | 不同板载负载和气流模式下的空气温度误差 |
| A 中设计外壳气流交换 | 将指定区域的空气引至传感器 | 易受气流影响或受到污染 | 外壳处于各种状态时，指定位置的参考空气温度 |
| B 中采用接触界面 | 让传感器与选定的外壳测点耦合 | 压力变化、绝缘或装配问题 | 与表面参考值的误差，包括重复装配结果 |
| B 附近设置铜箔或过孔 | 在适当设计中建立期望的板侧热路径 | 传感器可能与无关热源或散热体耦合 | 对比目标、传感器区域 PCB 和邻近位置的温度 |
| B 中进行局部隔热 | 减少来自电路板的竞争热量 | 组件强度下降或电气路径中断 | 同时开展机械、电气和热测试 |
TI 的 SNOA967A Rev. A 表面贴装温度传感器 PCB 指南讨论了 PCB 热路径以及环境温度和邻近元件温度感测的示例。该指南并未验证架构 B 中设想的直接接触外壳固定结构。指南中的示例可作为起点，但不是通用尺寸、过孔数量或精度保证。
追踪每条显著热路径
传导：常被忽视的路径
热量会通过传感器引脚或焊盘、焊料、铜箔、过孔、覆铜板、安装硬件，以及任何接触封装的材料传导。在空气测温设计中，与发热稳压器相连的大面积铜箔可能使传感器读数偏离局部空气温度。在表面监测设计中，有意建立导热路径可能有帮助，但前提是它连接到指定目标，而非其他热源。
热过孔可以在不同板层之间传热，但它们对传感器的作用取决于这些板层与什么对象相连。应将热过孔作为完整测温路径的一部分进行评估，而不能只把它看作冷却电路板的手段。
封装结构也很重要。封装外露表面、端子和底部与敏感元件的热耦合程度未必相同。不要在未查阅传感器文档的情况下，就假定让封装顶部、底部或引脚接触目标能够形成最强热路径。涂层、黏合剂和导热界面材料也可能增加热阻或热容量。
板上测试点有助于诊断热传导，但它只测量自身所在位置。传感器旁边测得的温度，并不能证明传感器封装内部的温度。
对流：明确哪一股空气才有意义
空气会向两种架构输入或带走热量。在架构 A 中，只有当流经传感器的空气能代表指定位置时，这种耦合才是预期效果。风扇、线束、通风口或外壳壁都可能改变气流方向。若加热后的排气回流至进气传感器附近，即使室温没有变化，读数也可能改变。
在架构 B 中，流动空气可能使传感器封装或界面的温度低于元件表面。因此，风扇开启时的结果不能证明风扇关闭时的性能，反之亦然。
Sensirion《湿度和温度设计指南》第 2 版（2024 年 3 月）讨论了组装式空气湿度和温度系统中的板级热传导及空气影响。该指南并非外壳温度传感器或结温计的使用指南，但其中对传感器层级特性与组装后系统行为的区分仍与此处相关。
辐射：无需接触的热路径
传感器会与周围表面进行辐射热交换。即使减少了热传导，附近的高温屏蔽罩、深色外壳壁或功率元件仍可能影响封装温度。表面温度、面积、发射率和视线关系都会产生影响。
屏蔽罩可以减弱辐射影响，但也可能阻挡气流，或成为另一个传导或辐射表面。如果辐射影响不可忽略，应比较有屏蔽罩和无屏蔽罩的配置；不要假设屏蔽罩不会产生影响。
热容量和安装方式
大面积铜箔、较厚的界面、支架或外壳壁都可能减慢传感器处的温度变化。较低的热容量有助于提高响应速度，但也可能使读数更容易受到短暂气流或噪声影响。相反，大质量安装结构可能让读数更稳定，却掩盖元件温度的快速上升。
安装方式是热路的一部分。螺钉、卡扣和黏合剂可能传导热量、改变接触压力，或在振动和温度循环期间发生变化。测试时应采用预定的量产安装方式，而不只是实验室里临时方便的固定方法。若会反复暴露于温度变化，应将试样、温度曲线和失效判据纳入热循环测试计划。
将自热与邻近热源分开
传感器自热是传感器本身或其激励与电路产生的热量。它可能取决于供电条件、测量速率或占空比。对于电阻式敏感元件，激励电流可能使元件自身发热；对于 IC，工作模式和电流也可能产生影响。应遵循具体器件的规格。
邻近热源是其他来源产生的热量，例如稳压器、处理器、上拉网络、功率器件或其加热的铜箔。邻近热量可能通过 PCB、空气或辐射传至传感器。
要区分两者，应尽可能保持周围工作条件稳定，并改变传感器允许范围内的激励、采样速率或占空比。等待足够时间使温度稳定，并与参考值比较。随后恢复传感器的预期工作模式，再改变邻近负载或气流。读数变化说明需要进一步调查，但仅凭这一点不能证明某一条热路径是唯一原因。
改变电气测试输入或用电阻替代传感器，可以验证电气测量链路，但不能验证传感器与目标之间的热接触。同样，在某个条件下得到的校准偏移，也未必能修正随负载或气流变化的温度梯度。
开槽和铜箔改动会改变整个系统
开槽、缩窄板颈或减少铜箔，可能增大不同区域间的热阻，也可能引发与温度测量无关的问题。
切割或重塑电路板前，应检查：
- 电气回流路径： 分割或缩窄参考平面可能迫使回流电流绕过开口，增大环路面积，或影响信号完整性和辐射。应保留电路所需路径，并纳入回流路径审查，不要假定减少铜箔没有影响。
- 机械强度： 延伸部或开槽区域可能在搬运、连接器插入或振动时弯曲。应检查电路板支撑，以及施加到焊点和柔性连接上的应变。
- 装配和污染： 开口和狭窄结构可能影响分板、搬运、清洁和涂覆。根据方向和环境，槽口可能积存碎屑或液体。
- 可靠性： 接触压力、界面材料、焊点和铜箔结构可能因热循环、湿气或反复机械应力而改变。
- 电气与安全间距： 任何接触材料、安装结构或铜箔改动都必须符合适用的隔离和间距要求。
不要依据通用规则选择槽宽或铜箔图形。应结合传感器和装配规格评估完整的电气、机械和热设计。
建立可证伪的验证矩阵
测试前先写明验收规则。例如，定义相对于参考值允许的稳态温差、响应指标、所需工作模式，以及如何将不确定度纳入判定。如果结果无法区分通过与不通过，应记录为结论不确定，而不能默默接受。
使用校准有效且具有可追溯性证据的参考测量链路，并确认其适用于被测量和量程，同时记录校准状态。对于外壳参考测量，应记录测点位置，以及可重复的安装材料、压力或粘接几何（视具体情况而定）；评估探头导热、对目标散热的影响，以及与无法接近的目标测点之间的差异。可行时，放置空气参考传感器时应避免明显阻挡气流或拾取辐射。记录剩余的空间偏差和扰动，并评估它们对结果解释的影响。校准本身不能验证传感器位置、接触、负载或动态响应。还应在不确定度评估中纳入分辨率、重复性、计时和相关环境影响。
| 测试问题 | 设置和参考 | 记录及判定依据 |
|---|---|---|
| 测到的是预期位置吗？ | 确认 A 的外壳内空气测点和 B 的元件外壳测点，以及各自的参考位置。评估空间温差和无法接近的目标测点。 | 记录精确位置、安装方式和参考测量的不确定度。如果传感器占据目标测点，应评估相邻参考点与目标点之间的差异。 |
| 探头会扰动测量结果吗？ | 在可行时，比较实际的参考测量安装或放置方式与另一种方案。评估外壳探头的导热和安装对散热的影响，以及空气参考传感器对气流的阻挡和辐射拾取。 | 记录剩余偏差和扰动，并评估它们对比较结果的影响。 |
| 空闲和高负载时的表现如何？ | 运行规定的空闲和高负载模式，直至满足预先设定的稳定判据。测量目标位置以及选定的邻近 PCB 或热源位置。 | 在同一稳态时间段内比较传感器和参考值。记录带符号的误差、变化情况和邻近位置的温度梯度。 |
| 响应是否足够快？ | 从规定条件开始，用同步时间戳记录启动过程和指定的负载转换。若相关，还应包括升温和降温过程。 | 按预先设定的阈值、滤波方式和计时起点记录响应时间。还要记录过冲、滞后以及未达到阈值的情况。 |
| 外壳或气流会改变结果吗？ | 测试预期的外壳、通风口和风扇状态，包括相关装配变化与故障模式。每种情况下都应将参考传感器放在指定位置。 | 分别比较稳态误差和瞬态响应。外壳打开时的结果不能证明外壳关闭时的表现。 |
| 自热影响显著吗？ | 在周围条件稳定时，改变传感器允许的激励或工作占空比，同时监测参考值。 | 记录读数偏移和稳定过程；在预期量产设置下重复测试。 |
| 结果可重复吗？ | 测试多个有代表性的电路板和组件，包括相关的接触、安装和几何变化。重复选定的温度转换测试。 | 按电路板和条件分别报告结果，不要只报告最佳曲线或总体平均值。调查异常值，并修改设计或测试。 |
定义被测量，包括 PCB 位置及相关热条件和计时条件；并将带符号误差定义为传感器示值减去该温度的参考估计值。列出不确定度预算及其覆盖因子或概率，并量化或限定参考位置造成的偏差，例如根据适用条件下的温度梯度和测点间距进行估算。说明该偏差是否已修正；若已修正，应计入残余修正不确定度；若未修正，则应明确纳入区间和判定，不可遗漏或重复计算。明确判定规则，包括测量区间与限值重叠时的处置方式。例如，只有在观测到的绝对误差加上扩展不确定度不超过项目选定限值时才接受，并将区间重叠的情况判为无法确定。这是一项需要针对实际被测量、不确定度模型和风险决策商定的策略，并非通用规则。每块相关电路板和每种工作条件都必须单独评估，不能通过合并不确定度来掩盖失效。同样应明确界定响应时间及其不确定度模型，包括探头滞后和时间戳对齐，并规定如何处置响应时间区间处于限值内、超出限值或与限值重叠的情况。
假设计算示例
假设某个元件表面参考传感器在负载变化前为 20 °C，变化后稳定在 50 °C。板载传感器从 20 °C 开始，最终稳定在 48 °C。这些数值是为说明计算而虚构的，并非实测结果或验收限值。
稳态带符号误差为：
48 °C − 50 °C = −2 °C
在本例中，将共同阈值定义为参考温升的 90%。温升为 30 °C，因此阈值为 20 °C + 0.9 × 30 °C = 47 °C。如果参考传感器在 20 秒时越过 47 °C，而板载传感器在 70 秒时越过该阈值，则板载传感器在 70 秒时达到阈值，也就是比参考传感器越过阈值晚 50 秒。这两个时间是各自越过所选绝对阈值的时间差，并非传感器自身的 90% 响应时间，因为传感器最终温升只有 28 °C。
以上假设两条曲线都是首次有效的升温越阈。应定义滤波、持续时间要求，以及出现多次越阈或测试结束前始终未达到阈值时的报告方法。该计算不能证明测试通过。真实判定还需要规定限值、计时和温度不确定度、稳定定义，以及所需模式和装配条件下的测试结果。
Analog Devices AN-892 将一个时间常数定义为其一阶模型中达到最终阶跃变化 63.2% 的时间；实际组件不一定是一阶系统。传感器的 90% 响应是相对于其自身起始值到最终值变化的比例。本例改为比较共同绝对阈值的越阈时间，这不一定等同于上述任一指标。应定义共同计时起点并报告计时不确定度。如果起点时读数已经达到或超过阈值，或在观测期内始终未越阈，应分别报告；不得推断缺失的越阈时间或时间差。
如需咨询 PCB 或组件，请使用询价页面，并提供设计文件、传感器料号、预期测量位置以及相关机械或热要求。应就项目确认夹具、校准和环境测试范围。
常见问题
一个板载传感器能同时代表外壳内空气和高温元件吗？
在某种特定工作条件下有可能，但这两个目标彼此竞争。测量空气需要与有代表性的空气耦合；测量表面则需要与目标耦合。应在所需的各种模式下分别验证每项被声明的测量对象。
传感器离元件最近，就一定最适合监测该元件吗？
不一定。附近的传感器可能主要受 PCB 铜箔、气流或其他热源影响。应定义表面测点，并使用合适的参考传感器验证完整热路径。
大面积铜箔总能改善温度跟踪吗？
不能。它可能增强与某个热区域的耦合，同时增加热容量，或从其他位置传导热量。是否有用取决于测量目标，必须通过测试确认。
能否直接将表面测量值换算为结温？
通常不能仅凭一次表面读数直接换算。温差取决于器件、热流和工作条件。应采用合适的模型或结温感测方法，并针对具体应用进行验证。
什么时候应重复验证？
传感器封装、铜箔、安装方式、界面材料、外壳、气流、附近功耗或传感器工作模式发生变化后，应重复相关测试。即使改动是为了改善装配，也可能改变热路径。