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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

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Fotografia do Chip

Fonte: K.A.A. Makinwa and J.H. HuisingT.U. Delft

Tamanho 4mm × 4mm

Processo CMOS 1.6µm padrão