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1
1IE012
Sensores Integrados em Silício IE012
SensoresTérmicos IIProfessor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
2IE012
Reprodutibilidade da curva VBE, ICversus T
A reprodutibilidade pode ser afetada devido a:– Algumas variações ocorridas no processo de
fabricação: geometria, dopagem– Efeitos indesejáveis introduzidos, como
exemplo: estresse mecânico devido ao processo de encapsulamento
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2
3IE012
Opções de calibração da curva VBE, IC versus T :
• Ajuste de IC
• Ajuste de IS Vg0
[V]
T [K]
VBE
Tr
ln CBE
S
IkTVq I
=
4IE012
Procedimento de calibração de fontes de corrente ajustáveis por R
Queima de fusíveis Zener-zap trimming Digital
0R 02R 04R
0R
0R2
0R4
MEM
ÓRIA
FLASH
EEPR
OM
1B
2B
3B
1B
2B
3B
0R
0R2
0R4
Fonte: IEEE Sensors Journal, Vol. 1, n° 3, October 2001
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3
5IE012
Tensão Proporcional à Temperatura AbsolutaVPTAT
A medida diferencial de duas tensões VBEde transistores operando com densidades de corrente diferentes apresenta uma característica bem particular com a temperatura. Esta tensão ∆VBE é chamada de Tensão Proporcional à Temperatura Absoluta ou VPTAT.
6IE012
Medida diferencial PTAT
AVPTAT
Vg0
V [V]
T [K]
VBE1VBE2
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4
7IE012
Dados experimentais do desvio da tensão PTAT
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
8IE012
Sensores de temperatura comerciais baseados na tensão PTAT
OUTV
−1I
2R
+V
2I
2Q
1Q1R
+
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5
9IE012
Sensores de temperatura comerciais baseados na tensão PTAT - National Semiconductor
• 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
10IE012
LM35
Fonte: LM34/ LM35 Precision Monolithic Temperature sensors NA-460 National Semiconductors
CURVATURECOMPENSATOR
CIRCUIT
I1nR 2R
2125.0 R2A
1A
1R 1Q2Q
E10 E
sV
CmVV oOUT /10=
)(38.1
PTATVV
CmV o/8.8
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6
11IE012
Circuito gerador de corrente PTAT
1Q 2Q
3Q4Q
PTATVR1 1r
BIASI0I
12rb)
V+
12IE012
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
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7
13IE012
Sensor de temperatura com saída em corrente
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
+V
-V
I0
Q7
Q8
R1 VBE7
VPTAT
R2 VBE7R1
PTATI
14IE012
Fonte de referência tipo bandgap
VBE0
V [V]
T [K]
VBE1VPTAT
VBE2
VrefA V1 PTAT
(a)
1ref BE PTATV V AV= +
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8
15IE012
3Q 4Q
2Q1Q
1R
PTATR
refV
PTATV
1 1r
V+
1Q 2Q
1R 12 RR =
PTATR1 1r refV
V+
)(a )(b
Circuitos bandgap (a) Bipolar (b) CMOS
Fonte: IEEE Sensors Journal, Vol. 1, n° 3, October 2001
16IE012
Tecnologias para a fabricação dos elementos utilizados em um sensor de temperatura ou circuito
de referência microeletrônicos
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9
17IE012
Transistor NPN em tecnologia bipolar
Processos bipolares comerciais são projetados para otimizar transistores NPN verticais
18IE012
Transistores PNP em tecnologia bipolar
Vertical Lateral
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10
19IE012
Transistores NPN em CMOS
Não é padrão comercial
20IE012
Transistores PNP em CMOS
EBC(Sub)
N+N+ P+N-epi
E B SubC
N+P+ P+N-epi
P-Substrate
Vertical Lateral
Fonte: Sensors and Actuators, A: Physical 87 (1-2), pp. 81-89
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21IE012 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
power-on
M31
M32
Q 1 Q 2
M25M26
RPTAT 100K CK
CH1
CH2
M24
M11 M12
M13 M14 M21
C M
M22 M23V DD
IPTAT
V SS
10p
22IE012
Conversão de temperatura em freqüência
+
−
IPTAT
IPTAT
VREF
VOUT
1
12 2
PTATout
H
IfT V C
= =
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23IE012
Modulação Duty-Cycle
REFI
PTATI REFVC Comparador Schmitt-Trigger
1SV
t
1T
T
+
−
1out
TDT
=
24IE012
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
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25IE012
Empacotamento dos sensores de temperatura
http://www.smartec.nl/
26IE012
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
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27IE012
Exercício: 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 (diodo, transistor
bipolar e MOS)
28IE012
Sensores de fluxo térmico
Fonte: S. Middelhoek, S.A Audet and P. French, Laboratory for Electronic Instrumentation, ITS, TU Delft, The Netherlands, 2000
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29IE012
Estudo de caso I
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
30IE012
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 (vertical)
Eletrônica de processamento e interface
Distribuição de calor através da técnica Sigma-Delta de modulação térmica
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31IE012
Encapsulamento
Proteção contra o contato direto com o ar
Disco cerâmico fino (0,25mm)
Condutividade térmica:Cerâmica: 20WK-1m-1
Silício: 150WK-1m-1
32IE012
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 da seqüência de bits (bitstream)
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33IE012
Implementação CMOS
Comparadores on-chip
Sensor de temperatura externoDiodo
Chaveamento lógico externo
Saída bitstream NS e LO
34IE012
Fotografia do Chip
Fonte: K.A.A. Makinwa and J.H. HuisingT.U. Delft
Tamanho 4mm × 4mm
Processo CMOS 1.6µm padrão
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18
35IE012
2D Wind Sensor
36IE012
Fonte:Mierij Meteo B.V., Solid-state wind-sensor MMW-005, Product Data sheet, http://www.mierijmeteo.nl.
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19
37IE012
Estudo de caso II
A circular-type thermal flow direction sensor free from temperature compensation
Seunghyun Kim, Sunghyun Kim, Yongduk Kim, Sekwang Park
Sensors and Actuators A 108 (2003) 64-68
38IE012
SENSOR DE FLUXOSENSOR DE FLUXO
Sensor composto por um aquecedor central e quatro
termistores dispostos ao redor do mesmo, sua construção circular permite maior sensibilidade em
qualquer ângulo, o que não acontece em medidores
convencionais.
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20
39IE012
SENSOR DE FLUXOFuncionamento
Os termistores de platina são construídos sobre uma camada de oxido e em membrana de ~30µm para minimizar a condução térmica pelo corpo do dispositivo.
O fluxo pode ser medido utilizando-se VRE – VRW e VRS - VRN
40IE012
ew
sn
VVarctg
∆∆
=θ
Esta forma de medida depende somente da direção do fluxo por
se tratar de uma comparação entre as grandezas.
SENSOR DE FLUXOFuncionamento
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21
41IE012
SENSOR DE FLUXOFabricação
Os termistores construídos por lift-off de Platina em Sputtering, com
espessura de ~3000Å
A escolha do Oxido ao invés de nitreto é devido à maior isolação
térmica do primeiro
A corrosão do diafragma foi feita por TMAH (Tetra-Methyl
Ammonium Hydroxide ) até um diafragma de 30µm
42IE012
SENSOR DE FLUXOResultados
As medidas foram feitas em temperaturas de 22 e 32 °C.Resultados indicam boa precisão, fornecendo um erro máximo de 5°
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43IE012
SENSOR DE FLUXOResultados
As medidas foram feitas em temperaturas de 22 e 32 °C.Resultados indicam boa precisão, fornecendo um erro máximo
de 5°