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

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

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

11

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)

17

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

18

35IE012

2D Wind Sensor

36IE012

Fonte:Mierij Meteo B.V., Solid-state wind-sensor MMW-005, Product Data sheet, http://www.mierijmeteo.nl.

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.

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

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°

22

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°