sensores de temperatura i_2006.pdf
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Sensores Integrados em Silício IE012
SensoresTérmicos IProfessor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
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Temperatura é a variável mais medida
Energia térmica: Energia de vibração das moléculas
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Escalas de temperatura( ) ( ) ( )F 32 CK 273,15
5 9 5T TT −−
= =
Temperatura Pontos de calibração K °F °C
Energia térmica zero 0 -459,6 -273,15 Água sólido/liquido 273,15 32 0
Água líquido/gás 373,15 212 100
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De um modo geral os sensores de temperatura podem ser divididos em:
• Passivos (Auto-suficientes)– Termopares (efeito termoelétrico)
• Ativos (Modulantes)– “Termo”resistores, – “Termo”diodos e– “Termo”transistores
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sendo que αAB o coeficiente de Seebeckrelativo entre os materiais A e B, expresso em V/K.
Termopares – Efeito Seebeck
TV AB∆=∆ α
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Alguns efeitos relacionados ao gradiente de temperatura em uma barra de metal ou material semicondutor
• Mudança no bandgap• Mudança na concentração dos portadores
de carga• Mudança no nível de Fermi• Mudança no coeficiente de difusão
(mobilidade)• Termo difusão• Acúmulo de cargas
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Magnitude do efeito Seebeck
Fonte: D.E. Gray (ed.), American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York, 1982, 4.7-4.9
∆V de alguns materiais combinados com platina, T1=0 °C e T2=100 °C
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Termopares padrão
Tipo Material positivo Material negativo E Cromel Cosntantan J Ferro Cosntantan K Cromel Alumel S Platina 10% Ródio Platina T Cobre Cosntantan
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Não linearidade
Fonte: National semiconductors
20 1 2 ... n
nT a a V a V a V∆ = + ∆ + ∆ + + ∆
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Efeito Seebeck em materiais diferentes
Fonte: W.R. Beam, Electronics of solids, Kogakusha Co Ltd, Tokyo, 1965
α é o coeficiente de Seebeckk é a condutividade elétricakT é a condutividade térmicaN é a densidade de portadores
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Coeficiente de Seebeck no Si a temperatura ambiente
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Efeito Seebeck em circuitos integrados
A tensão termodinâmica devido as junções Si-Al, depende do nível de dopagem do silício, podendo chegar a 1.4 mV/K.
Fonte: G.C.M. Meijer, Ph.D. Thesis, TU Delft 1982
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Termopilhas
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Sensores modulantes resistivos
• RTD (Detector de Temperatura Resistivo)– Fabricados em platina, níquel ou níquel-cobre– Tecnologia de deposição de filmes em substrato
de alumina ou cerâmico
• Termistor (Resistor Térmicamente Sensível)– Material semicondutor
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RTD (Resistance-temperature detector)
O exemplo mais comum é o tipo PT 100, que tem uma resistência de 100 Ω a 0°C.
Rt = R0[1 + At + Bt2 +C(t-100) t3] Sendo que R0=100 Ω (para t0=100°C)
A = 3.9083 E-3B = -5.775 E-7C = (abaixo de 0°C) -4.183 E -12
(Acima de 0°C) zero
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RTD (Resistance-temperature detector)Efeito dos fios de ligação:
RTD High Impedance Voltmeter
RTD OHMMETER
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Sensores modulantes integrados
- Variação da resistência em semicondutores (termistor)- Variação da tensão de polarização direta em diodos- Variação da tensão base-emissor em transistores bipolares
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Efeito térmico no semicondutor
Para um semicondutor intrínseco, a resistividade pode ser expressa pela seguinte equação:
sendo que: ni é a concentração de portadores intrínsecosµn e µp são as mobilidades dos elétrons e lacunas respectivamente.
( )pni qn µµρ
+=1
ni(T), µn(T) e µp(T)
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Faixa de interesse
Silício extrínseco tipo nni(T)µn(T)( )DN T+
Efeitos dominantes:
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Resistor integrado
Rt = R0[1 + A(t-t0)+ B (t-t0)2]
Sendo que:
R0 é a resistência a 0°C
A e B são variáveis medidas empiricamente
Difusão ou implantação p+
Camada enterrada
Epitaxia tipo n
Substrato tipo pIsolação
Contato (n+) do resistor
Processo Bipolar
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Limitações tecnológicas
• Valores absolutos apresentam precisão de ±20%, mas a razão de casamento entre duas resistências é±0.1%. Dessa forma os resistores são empregados em forma de ponte.
• Devem ser polarizados convenientemente, mantendo as junções p-n reversamentepolarizadas.
• A variação térmica de um resistor semicondutor éfortemente dependente da queda de tensão, e do estresse mecânico
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Alguns exemplos de resistores integrados
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TCR versus resistividade de um processo bipolar
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10
100
1000
10000
N-well
+Ntub+BLN N+ P+
P-base
Ω/s
qr
00,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,008
TCR
[K-1
]
W/sqrTCRΩ/
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Resistividade em função da temperatura para níveis de dopagens diferentes
102
10
10-1
10-2
10-3
1014
1019
1
1015
1016
1017
1018
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Outras opções de resistores integrados
• Polisilício
• Filmes finos
Possuem melhor isolação devido a ausência da junção p-n.
Necessitam de uma camada extra de deposição.
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Polisilício
• Estrutura formada por pequenos cristais com distribuição aleatória, podendo ter um certo número de orientações dominantes.
• Suas características (resistividade, TCR e piezo constantes) são fortemente dependentes do processo de deposição e dopagem.
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Parâmetros de um processo industrial CMOS 1.2 um
Difusão n+ Difusão p+ Poly High res. Poly Metal Resistência [Ω/sqr] 25 44 27 2700 0.070 TCR [×10-3 K-1] 1.9 1.9 0.7 -3.3 2.8
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Diodos
Comportamento quase linear a partir de 20 K
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Componentes da corrente para um diodo em polarização direta:
• Corrente de difusão• Corrente de leakage de superfície causada pela
recombinação de portadores na superfície• Componente devido a recombinação na região
de depleção, (corrente de geração-recombinação)
As duas últimas, dependem fortemente do processo de fabricação e da geometria do diodo.
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Transistores
A corrente de emissor de um transistor também écomposta pelas componentes de difusão, leakage de superfície e recombinação.
A corrente de coletor é principalmente constituída pela componente de difusão. Devido a base estreita, as duas outras componentes da corrente de emissor são drenadas para fora pela corrente de base.
Dessa forma, o uso do transistor como sensor de temperatura é normalmente baseado na sua bem definida característica IC vs. VBE.
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Característica IC vs.VBE de um transistor bipolar
IC é a corrente de coletorVT a tensão termodinâmica = kBT/qkB é a constante de Boltzmann, kB=1,38062 × 10-23 [J/K]T a temperatura em Kelvinq a carga do elétron 1.60 × 10-19 [C]portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mVIS corrente de saturação reversa
T
BE
T
BE
VV
SVV
SC eIeII ≅
−= 1
Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics
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Corrente de saturação reversa IS
B
BEiS Q
DAnqI
222
=
Bn n
k TDq
µ=
( )∫=C
E
X
XxEB dxpqAQ
( )dxxNqAQBW
AEB ∫≅0
0
( ) BA
W
A WNdxxNB
=∫0
BA
niES WN
DnqAI
2
=
Simplificando:
Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics
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Efeito da temperatura em IS
( )2 3 exp /i g Bn T qV k T∝ − ( )/n B nD k T q µ=
nn T −∝µTVV gg α−= 0
O problema situa-se em modelar a dependência de IS com a temperatura
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Método sugerido por Meijer:Dependência da temperatura em IC(VBE)
( )0exp BE gC
B
q V VI CT
k Tη
−=
Valores empíricos obtidos por Meijer são: Vg0=1166 mV e η=3.72
Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980
sendo que:Vg0 é a tensão de bandgap extrapolada a 0 KC é uma constante dependente do processo η é uma constante relacionada a dependência da mobilidade dos portadores minoritários com a temperatura na região de base
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Aplicando o resultado anterior e considerando uma temperatura arbitrária T e uma temperatura de referência
especifica Tr, tem-se:
( ) ( ) ( )( )0 1 ln ln CB B
BE g BE rr r r C r
I Tk T k TT T TV T V V TT T q T q I T
η
= − + − +
mC TI ∝
( ) ( ) ( )0 1 lnBBE g BE r
r r r
k TT T TV T V V T mT T q T
η
= − + − −
Normalmente IC é proporcional a temperatura.:
Fazendo m=1 (diretamente proporcional), tem-se:
Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980
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VBE versus temperatura
Vg0
[V]
T [K]
VBE
Tr
( ) ( ) ( )0 lnB r BBE g r
r
k T k TV T V m T m T T Tq q T
η λ η
= + − − + − − −
( ) ( )0B r
g BE r
r
k TV m V Tq
T
ηλ
+ − −=
Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980
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Termo não linear
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
-50 0 50 100 150
Temperature [ oC]
VBE,NL(T)
[m
V]
T r=50oC=323 K
η -m B=3
η-m=3.72
Exemplo considerando:0 1166 mVgV = 0m =( ) 630 mVBE rV T =3.72η = 323 KrT =
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Sistema sensor de temperatura usando um único transistor como elemento sensor
Ic
Vref
Vbe
A / DConverter
Micro - Processor Display
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Comparação Propriedade Resistor PT Termistor Termopar TransistorFormato da Saída
Resistência Resistência Tensão Tensão
Faixa de Operação (ºC)
Grande-260 a +1000
Média-80 a +180
Muito grande-270 a +3500
Média-50 a +180
Sensibilidade Média 0,4% / K
Alta 5% / K Baixa 0,05 a 1mV / K
Alta ~2mV / K
Linearidade Muito Boa < ±0,1K
Muito Não-Linear
Boa ±1K Boa ± 1K
Exatidão:- Absoluta Alta em
ampla faixaAlta em estreita faixa
Não é possível
Média
- Diferencial Média Média Alta MédiaCusto para Adequação em CI
Médio - Não é um processo padrão
Baixo - Não é um processo padrão
MédiaSim
Muito BaixoSim, muito facilmente