Eso me parece completamente normal. Los zeners de 3.3 V tienen una rodilla muy blanda y no son adecuados para este propósito. El voltaje Zener es garantizado para estar entre 3.1V y 3.5V a 5mA de corriente de prueba, que concuerda con su número con una entrada de 8V (3.2 \ $ \ le \ $ 3.4 \ $ \ le \ $ 3.5V) con una corriente de zener de aproximadamente 4.6mA. En otras palabras, se está comportando exactamente como un diodo zener de 3.3V, que en este caso no es bueno en absoluto.
Un diodo a una pinza funcionará mejor, pero sin más información es difícil hacer recomendaciones. Un TL431 con una corriente de 1 mA (de un circuito de 5 V) y un diodo a su entrada de ADC debería funcionar, pero tendrá que mantener el voltaje de la pinza a aproximadamente 3 V, y algo de corriente seguirá fluyendo hacia la entrada de ADC. Un op-amperio R-R IO lo sujetará más positivamente.
Si su voltaje de entrada real nunca excede de 1 voltio , la hoja de datos que vinculé anteriormente garantiza que la corriente a 25 ° C no excederá de 2uA, por lo que su error será inferior a 2mV, pero a 125 ° C podría ser tan malo como 40mV error. Es probable que desee utilizar más de 1/3 inferior de su rango de ADC.
Editar: -
Los diodos "Zener" de más de aproximadamente 5,6 V son en realidad diodos de avalancha, y tienen una rodilla mucho más afilada y un tempco positivo. Aquí hay un conjunto de curvas de una familia totalmente diferente de diodos Zener pequeños (levantados de un libro de datos de Toshiba de papel de 20 años). Como puede ver, a aproximadamente 8,2 V y más, son realmente buenos, con un pequeño cambio de voltaje de 1uA a 10mA. El "3.3V" cambia de aproximadamente 1.25V a aproximadamente 3V. Esto es una consecuencia de la física involucrada, y verás que algunos zeners cambian un poco las curvas hacia arriba y hacia abajo, pero las formas serán similares. Los circuitos activos están obligados a hacerlo mucho mejor.
Desafortunadamente, por alguna razón, este tipo de información a menudo se omite en las hojas de datos modernas, a pesar de que se consideraba lo suficientemente importante como para asesinar árboles en los viejos tiempos.