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