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Sensores Integrados em Silício IE012
SensoresTérmicos IIProfessor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
Reprodutibilidade da curva VBE, ICversus T
A reprodutibilidade pode ser afetada devido a:– Algumas variações ocorridas no processo de
fabricação – Efeitos indesejáveis introduzidos, como
exemplo: stress mecânico devido ao processo de encapsulamento.
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Opções de calibração da curva VBE, IC versus T :
• Ajuste de IC
• Ajuste de IS
Procedimento de calibração
Queima de fusíveis Zener-zap trimming
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
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Medida diferencial PTAT
AVPTAT
Vg0
V [V]
T [K]
VBE1VBE2
Dados experimentais do desvio da tensão PTAT
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
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Sensores de temperatura comerciais baseados na tensão PTAT
OUTV
+
−1I
2R
+V
2I
2Q
1Q 1R
Sensores de temperatura comerciais baseados na tensão PTAT
• LM34 Fahrenheit temperature sensor
• LM35 Celsius temperature sensor
Fabricados usando um processo bipolar convencionalAEQ1=10AEQ2
LM34/LM35 Precision Monolithic Temperature Sensors, National Semiconductor Application Note 460, October 1986
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LM35
Fonte: LM34/ LM35 Precision Monolithic Temperature sensors NA-460 National Semiconductors
CURVATURECOMPENSATOR
CIRCUIT
I1nR 2R
2125.0 R2A
1A
1R 1Q 2Q
E10 E
sV
CmVV oOUT /10=
)(38.1
PTATVV
CmV o/8.8
Circuito gerador de corrente PTAT
1Q 2Q
3Q 4Q
PTATVR1 1r
BIASI0I
12rb)
V+
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Sensor de temperatura com referencia intrínseca
A
-+
2Q
1Q2R
VPTAT
1R 0V
3Q VBE0
K] V0
A V2 PTAT
V [V]
T [K]
VBE
TZ
(b)
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
Sensor de temperatura com saída em corrente
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
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Fonte de referência tipo bandgap
VBE0
V [V]
T [K]
VBE1VPTAT
VBE2
VrefA V1 PTAT
(a)
1ref BE PTATV V AV= +
Circuitos bandgap (a) bipolar (b) CMOS
3Q 4Q
2Q1Q
1R
PTATR
refV
PTATV
1 1r
V+
1Q 2Q
1R 12 RR =
PTATR1 1r refV
V+
)(a )(b
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Transistor NPN em tecnologia bipolar
Processos bipolares comerciais são projetados para otimizar transistores NPN verticais
Transistores PNP em tecnologia bipolar
Vertical Lateral
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Transistores NPN em CMOS
Transistores PNP em CMOS
EBC(Sub)
N+N+ P+N-epi
E B SubC
N+P+ P+N-epi
P-Substrate
Vertical Lateral
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Gerador de corrente PTAT de alta precisão e baixo consumo
Fonte: A. Bakker, High-accuracy CMOS smart temperatura sensors, Ph.D. Thesis, TU Delft, The Netherlands, 2000
Conversão de temperatura em freqüência
IPTAT
IPTATVREF
VOUT
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Custo de produção de um sensor de temperatura integrado
Descrição Custo• Projeto 0,10• Processamento 0,30• Teste 0,15• Corte, colagem, empacotamento 0,25• Calibração 0,20Total U$1,00
Projeção para a venda de 1 milhão de unidades por ano
Fonte: A. Bakker, High-accuracy CMOS smart temperatura sensors, Ph.D. Thesis, TU Delft, The Netherlands, 2000
Empacotamento dos sensores de temperatura
http://www.smartec.nl/
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Efeito térmico no CMOS
Desvantagens da utilização do CMOS como sensor de temperatura:– Variações não tão previsíveis (baixa
repetibilidade)– Ausência da tensão de bandgap (Vg0)
( )2
2OX
D GS tC WI v V
Lµ
= − ( ) ( )tT V Tµ
SBFOX
bsF
OXmst V
CqN
CQ
V +Φ+Φ+−Φ= 22
2''
'0 ε
Compare em termos de linearidade, exatidão, consumo de potência, faixa de medida,
facilidade de implementação ... os seguintes sensores de temperatura:
• Termopar• RTD• Termistores (semic. intrínseco e extrínseco)• Sensores integrados
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Sensores de fluxo térmico
Fonte: S. Middelhoek, S.A Audet and P. French, Laboratory for Electronic Instrumentation, ITS, TU Delft, The Netherlands, 2000
2D Wind Sensor
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Fonte:Mierij Meteo B.V., Solid-state wind-sensor MMW-005, Product Data sheet, http://www.mierijmeteo.nl.
Estudo de caso
A Smart wind sensor using thermal sigma-delta modulation techniques
Kofi Makinwa and Johan HuijsingDelft University of Technology
Sensors and Actuators A 97-98 (2002) 15-20
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Princípio de funcionamento
Fonte: K.A.A. Makinwa and J.H. HuisingT.U. Delft
Chip aquecido; troca de calor com o ambiente
Quatro aquecedoresResistores polisilício
Quatro termopilhasTermopares (Al-Si)
Diodo central (sensor de temperatura)PNP (vertcal)
Eletrônica de processamento e interface
Distribuição de calor através da técnica sigma-delta de modulação térmica
Encapsulamento
Proteção contra o contato direto do ar
Disco cerâmico fino (0,25mm)
Condutividade térmica:Cerâmica: 20WK-1m-1
Silício: 150WK-1m-1
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Diagrama de blocos
As termopilhas em lados opostos do chip são conectadas em anti-série
A diferença de temperatura devido ao fluxo δTNS, é cancelada pela modulação sigma-delta
A informação do fluxo érecuperada através do bitstream
Implementação CMOS
Comparadores on-chip
Sensor de temperatura externoDiodo
Chaveamento lógico externo
Saída bitstream NS e LO