Sensores de temperatura I - DSIF
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Sensores Integrados em Silício IE325 EE824 Temperatura é a variável mais medida Sensores de Temperatura Professor Fabiano Fruett UNICAMP – FEEC - DSIF Sala 207 www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano De um modo geral os sensores de temperatura podem ser divididos em: Termopares – Efeito Seebeck • Auto-suficientes – Termopares (efeito termoelétrico) • Modulantes – “Termo”resistores, – “Termo”diodos e – “Termo”transistores ∆V = α AB ∆T sendo que αAB o coeficiente de Seebeck relativo entre os materiais A e B, expresso em V/K. 1 Alguns efeitos relacionados ao gradiente de temperatura em uma barra de metal ou material semicondutor • • • • • • Efeito Seebeck em metais 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 Fonte: D.E. Gray (ed.), American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York, 1982, 4.7-4.9 Efeito Seebeck em semicondutores Coeficiente de Seebeck no Si a temperatura ambiente ZnSb, PbTe, InAs α é o coeficiente de Seebeck σ é a condutividade elétrica k é a condutividade térmica N é a densidade de portadores 2 Efeito Seebeck em circuitos integrados A tensão termodinâmica devido as junções Si-Al (depende do nível de dopagem do silício) e pode chegar a 1.4 mV/K. Sensores modulantes Possibilidades em circuitos integrados: - Variação da resistência em semicondutores - Variação da tensão de polarização direta em diodos - Variação da tensão base-emissor em transistores bipolares Fonte: G.C.M. Meijer, Ph.D. Thesis, TU Delft 1982 Efeito térmico no semicondutor Silício extrínseco Para um semicondutor intrínseco, a resistividade pode ser expressa pela seguinte equação: 1 ρ = ni q (µ n + µ p ) sendo que: ni é a concentração de portadores intrínsecos µn e µp são as mobilidades dos elétrons e lacunas respectivamente. ni(T), µn(T)e µp(T) 3 Focalizando a faixa de interesse Faixa de interesse Limitações tecnológicas Resistor integrado R(T ) = R(0) + AT + BT 2 Alguns exemplos de resistores integrados • A variação térmica de um resistor semicondutor é fortemente dependente da queda de tensão, e estresse mecânico. • 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. 4 Outras opções de resistores integrados TCR verus resistividade 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 Ω /sqr 1000 100 10 TCR Pba se P+ N+ W/sqr Nwe l l+ Nt ub +B LN 1 • Polisilício TCR[K-1] 10000 Quanto mais dopado, menor a resistência por folha e menor o TCR Diodos • Filmes finos Possuem melhor isolação devido a ausência da junção p-n. Necessitam de uma camada extra de deposição. Componentes da corrente para um diodo em polarização direta: • Corrente de difusão • Corrente de leakage de superfície causada pela combinação 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 estrutura do diodo. 5 Característica Ic-Vbe de um transistor bipolar Transistores 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 de Ie 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 Ic-Vbe. Corrente de saturação reversa IS Simplificando: IS = 2 2 i WB 2 E QB 0 ≅ qAE ∫ N A ( x )dx q n A DB QB ∫ N (x )dx = N kT µn q QB = qAE A 0 XC ∫ p(x )d XE IC é a corrente de coletor VT a tensão termodinâmica = kT/q k é a constante de Boltzmann, k=1,38062E-23 [J/K] T a temperatura em Kelvin q a carga do elétron 1.60E-19 [C] portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mV IS corrente de saturação reversa Efeito da temperatura em IS ni2 ∝ T 3 exp(− qVg / kT ) Dn = (kT / q )µ n 0 WB Dn = VBE VBE I C = I S e VT − 1 ≅ I S e VT x IS = WB A V g = V g 0 − αT µ n ∝ T −n qAE ni2 Dn N AWB 6 Dependência da temperatura em IC(VBE) I C = CT η exp Considerando uma temperatura arbitrária T e uma temperatura de referência especifica Tr, tem-se: q (V BE − V g 0 ) T T kT T kT I C (T ) V BE (T ) = V g 0 1 − + VBE (Tr ) − η ln + ln q Tr q I C (Tr ) Tr Tr kT Valores empíricos obtidos por Meijer são Vg0=1166 mV e η=3.72. IC ∝ T m T VBE (T ) = V g 0 1 − Tr T kT T + VBE (Tr ) − (n − m ) ln q Tr Tr Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980 VBE versus temperatura Termo não linear VBE [V] 0 -0.5 V BE,NL (T ) [mV] Vg0 -1 -1.5 -2 -2.5 T r=50oC=323 K -3 η -m B =3 -3.5 -4 -50 Tr T [K] 0 50 100 150 Temperature [ o C] 7
