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1IE 012

Sensores Integrados em Silício IE012

SensoresTérmicos IProfessor Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207

www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano

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Temperatura é a variável mais medida

Energia térmica: Energia de vibração das moléculas

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3IE 012

Escalas de temperatura( ) ( ) ( )F 32 CK 273,15

5 9 5T TT −−

= =

Temperatura Pontos de calibração K °F °C

Energia térmica zero 0 -459,6 -273,15 Água sólido/liquido 273,15 32 0

Água líquido/gás 373,15 212 100

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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

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sendo que αAB o coeficiente de Seebeckrelativo entre os materiais A e B, expresso em V/K.

Termopares – Efeito Seebeck

TV AB∆=∆ α

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Alguns efeitos relacionados ao gradiente de temperatura em uma barra de metal ou material semicondutor

• 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

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Magnitude do efeito Seebeck

Fonte: D.E. Gray (ed.), American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill, New York, 1982, 4.7-4.9

∆V de alguns materiais combinados com platina, T1=0 °C e T2=100 °C

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Termopares padrão

Tipo Material positivo Material negativo E Cromel Cosntantan J Ferro Cosntantan K Cromel Alumel S Platina 10% Ródio Platina T Cobre Cosntantan

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Não linearidade

Fonte: National semiconductors

20 1 2 ...

nnT a a V a V a V∆ = + ∆ + ∆ + + ∆

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Efeito Seebeck em materiais diferentes

Fonte: W.R. Beam, Electronics of solids, Kogakusha Co Ltd, Tokyo, 1965

α é o coeficiente de Seebeckk é a condutividade elétricakT é a condutividade térmicaN é a densidade de portadores

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11IE 012

Coeficiente de Seebeck no Si a temperatura ambiente

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Efeito Seebeck em circuitos integrados

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

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Termopilhas

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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

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RTD (Resistance-temperature detector)

O exemplo mais comum é o tipo PT 100, que tem uma resistência de 100 Ω a 0°C.

Rt = R0[1 + At + Bt2 +C(t-100) t3] Sendo que R0=100 Ω (para t0=100°C)

A = 3.9083 E-3B = -5.775 E-7C = (abaixo de 0°C) -4.183 E -12

(Acima de 0°C) zero

16IE 012

RTD (Resistance-temperature detector)Efeito dos fios de ligação:

RTD High Impedance VoltmeterRTD OHMMETER

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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

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Efeito térmico no semicondutor

Para um semicondutor intrínseco, a resistividade pode ser expressa pela seguinte equação:

sendo que: ni é a concentração de portadores intrínsecosµn e µp são as mobilidades dos elétrons e lacunas respectivamente.

( )pni qn µµρ +=1

ni(T), µn(T) e µp(T)

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Faixa de interesse

Silício extrínseco tipo nni(T)µn(T)( )DN T

+Efeitos

dominantes:

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Resistor integrado

Rt = R0[1 + A(t-t0)+ B (t-t0)2]

Sendo que:

R0 é a resistência a 0°C

A e B são variáveis medidas empiricamente

Difusão ou implantação p+

Camada enterrada

Epitaxia tipo n

Substrato tipo pIsolação

Contato (n+) do resistor

Processo Bipolar

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Limitações tecnológicas

• 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 reversamentepolarizadas.

• A variação térmica de um resistor semicondutor éfortemente dependente da queda de tensão, e do estresse mecânico

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Alguns exemplos de resistores integrados

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23IE 012

TCR versus resistividade de um processo bipolar

1

10

100

1000

10000

N-we

ll+Nt

ub+B

LN N+ P+

P-ba

se

Ω/s

qr

00,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,008

TCR

[K-1

]

W/sqrTCRΩ/

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Resistividade em função da temperatura para níveis de dopagens diferentes

102

10

10-1

10-2

10-3

1014

1019

1

1015

1016

1017

1018

13

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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.

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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.

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27IE 012

Parâmetros de um processo industrial CMOS 1.2 um

Difusão n+ Difusão p+ Poly High res. Poly Metal Resistência [Ω/sqr] 25 44 27 2700 0.070 TCR [×10-3 K-1] 1.9 1.9 0.7 -3.3 2.8

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Diodos

Comportamento quase linear a partir de 20 K

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29IE 012

Componentes da corrente para um diodo em polarização direta:

• 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 geração-recombinação)

As duas últimas, dependem fortemente do processo de fabricação e da geometria do diodo.

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Transistores

A corrente de emissor de um transistor também écomposta 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 IC vs. VBE.

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31IE 012

Característica IC vs.VBE de um transistor bipolar

IC é a corrente de coletorVT a tensão termodinâmica = kBT/qkB é a constante de Boltzmann, kB=1,38062 × 10-23 [J/K]T a temperatura em Kelvinq a carga do elétron 1.60 × 10-19 [C]portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mVIS corrente de saturação reversa

T

BE

T

BE

VV

SVV

SC eIeII ≅

−= 1

Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics

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Corrente de saturação reversa IS

B

BEiS Q

DAnqI

222

=

Bn n

k TDq

µ=

( )∫=C

E

X

XxEB dxpqAQ

( )dxxNqAQBW

AEB ∫≅0

0

( ) BAW

A WNdxxNB

=∫0

BA

niES WN

DnqAI

2

=

Simplificando:

Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics

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33IE 012

Efeito da temperatura em IS

( )2 3 exp /i g Bn T qV k T∝ − ( )/n B nD k T q µ=

nn T

−∝µTVV gg α−= 0

O problema situa-se em modelar a dependência de IS com a temperatura

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Método sugerido por Meijer:Dependência da temperatura em IC(VBE)

( )0exp BE gCB

q V VI CT

k Tη

−=

Valores empíricos obtidos por Meijer são: Vg0=1166 mV e η=3.72

Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980

sendo que:Vg0 é a tensão de bandgap extrapolada a 0 KC 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

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35IE 012

Aplicando o resultado anterior e considerando uma temperatura arbitrária T e uma temperatura de referência

especifica Tr, tem-se:

( ) ( ) ( )( )01 ln ln CB BBE g BE r

r r r C r

I Tk T k TT T TV T V V TT T q T q I T

η

= − + − +

mC TI ∝

( ) ( ) ( )0 1 lnBBE g BE rr r r

k TT T TV T V V T mT T q T

η

= − + − −

Normalmente IC é proporcional a temperatura.:

Fazendo m=1 (diretamente proporcional), tem-se:

Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980

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VBE versus temperatura

Vg0

[V]

T [K]

VBE

Tr

( ) ( ) ( )0 lnB r BBE g rr

k T k TV T V m T m T T Tq q T

η λ η

= + − − + − − −

( ) ( )0 B rg BE r

r

k TV m V Tq

T

ηλ

+ − −=

Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980

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Termo não linear

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

-50 0 50 100 150

Temperature [ oC]

VBE,NL(T)

[m

V]

T r=50oC=323 K

η -m B=3

η-m=3.72

Exemplo considerando:0 1166 mVgV = 0m =( ) 630 mVBE rV T =3.72η = 323 KrT =

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Sistema sensor de temperatura usando um único transistor como elemento sensor

Ic

Vref

Vbe

A / DConverter

Micro - Processor Display

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Comparação Propriedade Resistor PT Termistor Termopar TransistorFormato da Saída

Resistência Resistência Tensão Tensão

Faixa de Operação (ºC)

Grande-260 a +1000

Média-80 a +180

Muito grande-270 a +3500

Média-50 a +180

Sensibilidade Média 0,4% / K

Alta 5% / K Baixa 0,05 a 1mV / K

Alta ~2mV / K

Linearidade Muito Boa < ±0,1K

Muito Não-Linear

Boa ±1K Boa ± 1K

Exatidão:- Absoluta Alta em

ampla faixaAlta em estreita faixa

Não é possível

Média

- Diferencial Média Média Alta MédiaCusto para Adequação em CI

Médio - Não é um processo padrão

Baixo - Não é um processo padrão

MédiaSim

Muito BaixoSim, muito facilmente