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
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
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
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
+
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
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
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= +
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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17IE012
Transistor NPN em tecnologia bipolar
Processos bipolares comerciais são projetados para otimizar transistores NPN verticais
18IE012
Transistores PNP em tecnologia bipolar
Vertical Lateral
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
= =
12
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
13
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
14
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
15
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
16
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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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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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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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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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°
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