Sensores Integrados em Silício IE012. SensoresTérmicos I

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1 1 Sensores Integrados em Silício IE012 SensoresTérmicos I Professor Fabiano Fruett UNICAMP FEEC - DSIF Sala Temperatura é a variável mais medida 2 Energia térmica: Energia de vibração das moléculas

2 3 Escalas de temperatura T ( K) 273,15 T( F) 32 T( C) = = Pontos de calibração Temperatura K F C Energia térmica zero 0-459,6-273,15 Água sólido/liquido 273, Água líquido/gás 373, De um modo geral os sensores de temperatura podem ser divididos em: Passivos (Auto-suficientes) Termopares (efeito termoelétrico) Ativos (Modulantes) Termo resistores, Termo diodos e Termo transistores

3 5 Termopares Efeito Seebeck V = α AB T sendo que α AB o coeficiente de Seebeck relativo entre os materiais A e B, expresso em V/K. Alguns efeitos relacionados ao gradiente de temperatura em uma barra de metal ou material semicondutor 6 Mudança no bandgap Mudança na concentração dos portadores de carga Mudança no nível de Fermi Mudança no coeficiente de difusão (mobilidade) Termo difusão Acúmulo de cargas

4 Magnitude do efeito Seebeck V de alguns materiais combinados com platina, T 1 =0 C e T 2 =100 C 7 Fonte: D.E. Gray (ed.), American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York, 1982, Termopares padrão Tipo Material positivo Material negativo E Cromel Cosntantan J Ferro Cosntantan K Cromel Alumel S Platina 10% Ródio Platina T Cobre Cosntantan

5 Não linearidade 9 T = a + a V + a V + + a V n n Fonte: National semiconductors Efeito Seebeck em materiais diferentes 10 α é o coeficiente de Seebeck k é a condutividade elétrica k T é a condutividade térmica N é a densidade de portadores Fonte: W.R. Beam, Electronics of solids, Kogakusha Co Ltd, Tokyo, 1965

6 Coeficiente de Seebeck no Si a temperatura ambiente 11 Efeito Seebeck em circuitos integrados 12 A tensão termodinâmica devido as junções Si-Al, depende do nível de dopagem do silício, podendo chegar a 1.4 mv/k. Fonte: G.C.M. Meijer, Ph.D. Thesis, TU Delft 1982

7 Termopilhas Sensores modulantes resistivos RTD (Detector de Temperatura Resistivo) Fabricados em platina, níquel ou níquel-cobre Tecnologia de deposição de filmes em substrato de alumina ou cerâmico Termistor (Resistor Térmicamente Sensível) Material semicondutor

8 RTD (Resistance-temperature detector) 15 O exemplo mais comum é o tipo PT 100, que tem uma resistência de 100 Ω a 0 C. R t = R 0 [1 + At + Bt 2 +C(t-100) t 3 ] Sendo que R 0 =100 Ω (para t 0 =100 C) A = E-3 B = E-7 C = (abaixo de 0 C) E -12 (Acima de 0 C) zero RTD (Resistance-temperature detector) Efeito dos fios de ligação: 16 RTD OHMMETER RTD High Impedance Voltmeter

9 17 Sensores modulantes integrados - Variação da resistência em semicondutores (termistor) - Variação da tensão de polarização direta em diodos - Variação da tensão base-emissor em transistores bipolares 18 Efeito térmico no semicondutor Para um semicondutor intrínseco, a resistividade pode ser expressa pela seguinte equação: ( ) 1 = n q µ i n + p ρ µ sendo que: n i é a concentração de portadores intrínsecos µ n e µ p são as mobilidades dos elétrons e lacunas respectivamente. n i (T), µ n (T) e µ p (T)

10 Efeitos dominantes: Silício extrínseco tipo n + N ( ) D T µ n (T) n i (T) 19 Faixa de interesse Resistor integrado 20 Processo Bipolar R t = R 0 [1 + A(t-t 0 )+ B (t-t 0 ) 2 ] Sendo que: R 0 é a resistência a 0 C A e B são variáveis medidas empiricamente Difusão ou implantação p+ Contato (n+) do resistor Epitaxia tipo n Isolação Camada enterrada Substrato tipo p

11 Limitações tecnológicas 21 Valores absolutos apresentam precisão de ±20%, mas a razão de casamento entre duas resistências é ±0.1%. Dessa forma os resistores são empregados em forma de ponte. Devem ser polarizados convenientemente, mantendo as junções p-n reversamente polarizadas. A variação térmica de um resistor semicondutor é fortemente dependente da queda de tensão, e do estresse mecânico Alguns exemplos de resistores integrados 22

12 23 TCR versus resistividade de um processo bipolar Ω /sqr ,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 TCR[K -1 ] W/sqr Ω/ TCR N-well+Ntub+BLN N+ P+ P-base Resistividade em função da temperatura para níveis de dopagens diferentes

13 25 Outras opções de resistores integrados Polisilício Filmes finos Possuem melhor isolação devido a ausência da junção p-n. Necessitam de uma camada extra de deposição. 26 Polisilício Estrutura formada por pequenos cristais com distribuição aleatória, podendo ter um certo número de orientações dominantes. Suas características (resistividade, TCR e piezo constantes) são fortemente dependentes do processo de deposição e dopagem.

14 Parâmetros de um processo industrial CMOS 1.2 um 27 Difusão n+ Difusão p+ Poly High res. Poly Metal Resistência [Ω/sqr] TCR [ 10-3 K -1 ] Diodos 28 Comportamento quase linear a partir de 20 K

15 Componentes da corrente para um diodo em polarização direta: 29 Corrente de difusão Corrente de leakage de superfície causada pela recombinação de portadores na superfície Componente devido a recombinação na região de depleção, (corrente de geraçãorecombinação) As duas últimas, dependem fortemente do processo de fabricação e da geometria do diodo. Transistores 30 A corrente de emissor de um transistor também é composta pelas componentes de difusão, leakage de superfície e recombinação. A corrente de coletor é principalmente constituída pela componente de difusão. Devido a base estreita, as duas outras componentes da corrente de emissor são drenadas para fora pela corrente de base. Dessa forma, o uso do transistor como sensor de temperatura é normalmente baseado na sua bem definida característica I C vs. V BE.

16 Característica I C vs.v BE de um transistor bipolar 31 I C VBE VT = I S e 1 I C é a corrente de coletor V T a tensão termodinâmica = k B T/q k B é a constante de Boltzmann, k B =1, [J/K] T a temperatura em Kelvin q a carga do elétron [C] portanto V temperatura ambiente = 25 mv I S corrente de saturação reversa I S e V V BE T Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics 32 Corrente de saturação reversa I S I S = q 2 n 2 i Q A 2 E B D B Q Simplificando: B0 qa E W B 0 N A ( x)dx D n = kt B n q µ WB 0 N A ( x) dx = N AWB Q B = qa X C E X E p ( x) d x I S = qa E N n A 2 i W D B n Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics

17 33 Efeito da temperatura em I S ( ) = ( / ) 2 n T 3 exp qv / k T i g B D k T q µ n B n V g = Vg 0 αt µ n T n O problema situa-se em modelar a dependência de I S com a temperatura Método sugerido por Meijer: Dependência da temperatura em I C (V BE ) ( BE Vg 0 ) qv η IC = CT exp kt B sendo que: V g0 é a tensão de bandgap extrapolada a 0 K C é uma constante dependente do processo η é uma constante relacionada a dependência da mobilidade dos portadores minoritários com a temperatura na região de base 34 Valores empíricos obtidos por Meijer são: V g0 =1166 mv e η=3.72 Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980

18 Aplicando o resultado anterior e considerando uma temperatura arbitrária T e uma temperatura de referência especifica T r, tem-se: ( T) ( ) T T kt B T kt I B C VBE ( T) = Vg VBE ( Tr ) η ln + ln Tr Tr q Tr q IC T r Normalmente I C é proporcional a temperatura.: I C T Fazendo m=1 (diretamente proporcional), tem-se: T T kt B T VBE ( T) = Vg VBE ( Tr ) ( η m) ln Tr Tr q Tr m 35 Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980 V BE versus temperatura 36 kt B r k B T VBE ( T) = Vg 0 + ( η m) λt ( η m) T Tr Tln q + q Tr V BE [V] V g0 kt V + m V T q λ = T ( η ) ( ) B r g 0 BE r r Tr T [K] Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980

19 Exemplo considerando: V g 0 = 1166 mv η = 3.72 T = 323 K VBE T r = m = 0 r ( ) 630 mv 37 0 Termo não linear -0.5 V BE,NL(T ) [mv] η-m=3.72 T r =50 o C=323 K η -m B = Temperature [ o C] Sistema sensor de temperatura usando um único transistor como elemento sensor 38 Ic Vbe A / D Converter Micro - Processor Display Vref

20 Comparação Propriedade Resistor PT Termistor Termopar Transistor Formato da Resistência Resistência Tensão Tensão Saída Faixa de Operação Grande -260 a Média -80 a +180 Muito grande -270 a Média -50 a +180 (ºC) Sensibilidade Média 0,4% Alta 5% / K Baixa 0,05 a Alta ~2mV / / K Linearidade Muito Boa < ±0,1K Exatidão: - Absoluta Alta em Muito Não- Linear 1mV / K Boa ±1K K Boa ± 1K Alta em Não é Média ampla faixa estreita faixa possível - Diferencial Média Média Alta Média Custo para Adequação em CI Média Sim Médio - Não é um processo padrão Baixo - Não é um processo padrão Muito Baixo Sim, muito facilmente 39