Executando medição de precisão com sensores de temperatura de silício

A indústria de eletrônicos está exigindo cada vez mais níveis de precisão e o sensor de temperatura não é exceção. Existem muitas soluções de sensoriamento de temperatura, cada uma com suas vantagens e desvantagens. Os sensores de temperatura de silício, embora bastante lineares, nunca ofereceram a precisão de outras soluções. No entanto, avanços recentes no sensor de temperatura de silício significam que agora é possível obter alta resolução e precisão com uma solução de silício.

Um novo freezer

Era março de 2020 e o Reino Unido estava prestes a entrar em bloqueio. O mundo estava estocando alimentos para o caso de os supermercados fecharem, e o futuro parecia incerto. Então, o freezer da casa Bramble parou de funcionar. Com as palavras da música de Kenny Rogers, “Você escolheu um bom momento para me deixar…” ecoando em minha cabeça, procuramos um novo substituto online.

Poucos dias depois, nosso novo freezer chegou, completo com um display digital de temperatura no painel frontal, como era o desejo da Sra. Bramble. A configuração recomendada era de -18 ° C e após uma hora o aparelho estava na temperatura correta e pronto para receber alimentos. Eu estava cético quanto à precisão da leitura da temperatura, mas não me importei, contanto que congelasse a comida. Um problema, porém, uma mente de engenheiro é uma mente inquieta, e depois de dias de leitura digital aparentemente sábia olhando para mim sem piscar, desafiando-me com seus pronunciamentos confiantes, eu quebrei. Tive de testar as afirmações de precisão dessa nova adição à nossa cozinha.

Sensores de temperatura

Existe uma grande variedade de sensores de temperatura usados ​​em aplicações industriais, cada um com vantagens e desvantagens. Visto que muitos textos detalham a operação de vários sensores de temperatura, não repito os detalhes aqui, mas ofereço um resumo abaixo.

Termopares

Os termopares fornecem uma maneira econômica e moderadamente precisa de medir temperaturas muito altas. Eles dependem de uma tensão sendo gerada entre duas junções, cada uma feita de metais diferentes, mantidos em temperaturas diferentes, conforme descoberto por Thomas Seebeck em 1821. No caso de um termopar Tipo K (feito das ligas Chromel e Alumel), ele produz uma tensão de cerca de 41μV / ° C e pode ser usada para medir temperaturas superiores a 1000 ° C. No entanto, o efeito Seebeck depende de uma diferença de temperatura entre duas junções, portanto, enquanto a junção "quente" mede a temperatura de interesse, a junção "fria" deve ser mantida a uma temperatura conhecida. Ironicamente, outro sensor de temperatura é necessário na junção fria para que a diferença de temperatura seja medida e peças como o AD8494 fornecem a solução perfeita para fazer isso. Como os termopares são fisicamente pequenos, eles têm baixa massa térmica, portanto, respondem rapidamente às mudanças de temperatura.

RTDs

Para medir temperaturas moderadas (<500 ° C), detectores resistivos de temperatura (RTDs) são amplamente usados ​​pela indústria. Esses dispositivos consistem em um elemento de metal que exibe uma mudança positiva na resistência com a temperatura, mais comumente Platina. Na verdade, o sensor PT-100 é o RTD mais usado na indústria e recebe o nome por ser feito de Platina (PT) e ter uma resistência de 100Ω a 0 ° C. Embora esses dispositivos não medam a alta temperatura de um termopar, eles são altamente lineares e sua leitura pode ser repetida. Um PT100 precisa de uma corrente motriz precisa, criando uma queda de tensão precisa no sensor que é proporcional à temperatura. A resistência dos fios de conexão do PT100 cria um erro na medição da resistência do sensor, então o sensor de Kelvin é típico, resultando em sensores de 3 ou 4 fios.

Termistores

Se uma solução de baixo custo for necessária e a faixa de temperatura for baixa, um termistor geralmente é suficiente. Esses dispositivos são altamente não lineares, com uma característica baseada na equação de Steinhart Hart, resultando em redução da resistência com o aumento da temperatura. O benefício de um termistor é que a mudança na resistência é grande com pequenas mudanças na temperatura, então um alto nível de precisão pode ser alcançado apesar de sua não linearidade. Os termistores também apresentam uma resposta térmica rápida. As não linearidades individuais do termistor são bem definidas, portanto, podem ser calibradas usando componentes como o LTC2986.

Diodos, Diodos em todos os lugares, mas não uma (Vbe) queda para afundar…

Por fim, para testar a veracidade do novo membro da família, optei por um sensor de temperatura de silício Eles funcionam direto da caixa, não precisam de compensação de temperatura de junta fria ou linearização, estão disponíveis com saídas analógicas e digitais e vêm pré-calibrados . Até recentemente, porém, eles ofereciam apenas uma precisão moderada. Embora bons o suficiente para indicar o estado de saúde de equipamentos eletrônicos, eles nunca foram precisos o suficiente para medir, digamos, a temperatura corporal, geralmente exigindo uma precisão de ± 0,1 ° C (de acordo com o padrão ASTM E1112). Isso mudou com o lançamento recente dos sensores de temperatura de silício ADT7422 e ADT7320, que podem medir resoluções de ± 0,1 ° C e ± 0,2 ° C, respectivamente.

Um sensor de temperatura de silício explora a dependência da temperatura do Vbe de um transistor , conforme dado pela equação de Ebers Moll, aproximado por:

onde Ic é o coletor atual, É é a corrente de saturação reversa do transistor, q é a carga em um elétron (1,602 x 10 ^-19 Coulombs), k é a constante de Boltzmann (1,38 x 10 ^-23 ) e T é a temperatura absoluta.

A expressão acima para a corrente do coletor também é verdadeira para a corrente em um diodo; então, por que todo circuito de aplicação usa um transistor e não um diodo? Na realidade, a corrente em um diodo também inclui uma corrente de recombinação resultante da recombinação de elétrons com buracos à medida que passam pela região de depleção da junção pn e isso apresenta uma não linearidade da corrente do diodo com Vbe e temperatura. Esta corrente também aparece em um transistor bipolar, mas flui para a base do transistor, então não aparece na corrente do coletor, portanto a não linearidade é muito menor.

Reorganizar o acima dá

É é pequeno comparado com Ic , para que possamos ignorar o ‘1’ termo na equação acima. Agora podemos ver que Vbe muda linearmente de acordo com uma mudança logarítmica em Ic . Também podemos ver que se Ic e é são constantes então Vbe muda linearmente com a temperatura, uma vez que k e q também são constantes. É uma tarefa fácil forçar uma corrente de coletor constante em um transistor e medir como o Vbe muda com a temperatura.

É está relacionado à geometria do transistor e tem uma forte dependência da temperatura. Como muitos dispositivos de silício, seu valor dobra a cada aumento de 10 ° C na temperatura. Embora o efeito desta mudança na corrente seja reduzido pelo ‘ln’ função ainda temos o problema de que o valor absoluto de Vbe muda de transistor para transistor e, portanto, a calibração é necessária. Portanto, os sensores de temperatura de silício práticos usam dois transistores idênticos e forçam uma corrente de coletor de Ic em um e 10 Ic para o outro. Transistores idênticos e correntes ratiometricamente precisas são fáceis de fabricar em um circuito integrado, razão pela qual a maioria dos sensores de silício usa essa arquitetura. A mudança logarítmica na corrente causa uma mudança linear em Vbe e a diferença no Vbe 'S é então medido.

Da equação acima, para dois transistores mantidos na mesma temperatura , a diferença entre seu Vbe É dado por

Desde a

Nós podemos ver isso

Forçando correntes diferentes através de cada transistor e medindo a diferença em Vbe , removemos o não linear É termo, o efeito de diferentes Vbe’s e todos os outros efeitos não lineares associados à geometria do transistor. Desde k , q e ln 10 são todos constantes, a mudança em Vbe é Proporcional à Temperatura Absoluta (PTAT). Para uma diferença de 10x nas correntes, a diferença nos dois Vbe Muda linearmente com a temperatura em aproximadamente 198μV / ° C. Um circuito simplificado para conseguir isso é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Um Circuito Básico para Medir Temperatura.

As correntes na Figura 1 devem ser cuidadosamente escolhidas. Se a corrente for muito alta, o autoaquecimento significativo e as quedas de tensão nas resistências internas do transistor corromperão o resultado. Se a corrente for muito baixa, as correntes de fuga dentro do transistor adicionam erros significativos.

Também deve ser observado que as equações acima se relacionam ao coletor corrente do transistor, enquanto a Figura 1 mostra um emissor constante corrente sendo injetada no transistor. Os transistores podem ser projetados de forma que a relação entre o coletor e o emissor seja bem estabelecida (e próxima da unidade), de modo que a corrente do coletor seja proporcional à corrente do emissor.

Este é apenas o começo da história. Para obter uma precisão de ± 0,1 ° C com um sensor de temperatura de silício, uma caracterização extensiva e um recorte precisam ser feitos.

É um pássaro? É um avião?

Não, é um super termômetro. Sim, eles existem. O sensor de temperatura de silício não calibrado precisa ser colocado em um banho cheio de óleo de silicone e aquecido a uma temperatura precisa, medida com um super termômetro. Esses dispositivos podem medir com uma precisão melhor do que cinco casas decimais. Fusíveis dentro do sensor são queimados para ajustar o ganho do sensor de temperatura e, assim, linearizar sua saída usando a equação y =mx + C . O óleo de silicone fornece uma temperatura muito uniforme, portanto, muitos dispositivos podem ser calibrados em um único ciclo.

O ADT7422 tem uma precisão de ± 0,1 ° C, em uma faixa de temperatura de 25 ° C a 50 ° C. Esta faixa de temperatura é centrada em torno da temperatura típica do corpo humano de 38 ° C, tornando o ADT7422 ideal para o monitoramento preciso dos sinais vitais. Para aplicações industriais, o ADT7320 é aparado para ter uma precisão de ± 0,2 ° C, mas em uma faixa de temperatura mais ampla de -10 ° C a + 85 ° C.

Figura 2. O ADT7422 montado em uma placa de circuito impresso com espessura de 0,8 mm

A calibração do sensor de temperatura de silício não é o único problema, entretanto. Tal como acontece com referências de tensão extremamente precisas, tensões na matriz podem corromper a precisão do sensor e a expansão térmica do PCB, estrutura de chumbo, moldagem de plástico e almofadas expostas, todos precisam ser levados em consideração. O processo de soldagem também adiciona seus próprios problemas. O processo de refluxo de solda aumenta a temperatura de uma peça para 260 ° C, fazendo com que a embalagem de plástico amoleça e a estrutura de chumbo da matriz distorça, de modo que quando a peça esfria e o plástico endurece, uma tensão mecânica é travada na matriz. Os engenheiros da Analog Devices gastaram muitos meses de experimentos delicados para descobrir que uma espessura de PCB de 0,8 mm era o ponto ideal e uma precisão de ± 0,1 ° C poderia ser alcançada, mesmo após a soldagem.

Por dentro do software

A maior parte do software do sistema se preocupa com a formatação dos dados do ADT7320 e sua exibição no LCD. Obter os dados do ADT7320 é trivial. Quando o processador é inicializado, ambas as linhas CS e SCLK são definidas como altas e a linha SCLK ociosa alta entre as conversões. A linha CS é então baixada para iniciar uma transação de dados. Com o SPI, os dados são lidos no ADT7320 na borda ascendente da linha SCLK e enviados na borda descendente. O código abaixo detalha a rotina de inicialização.

Para reinicializar a interface serial, a linha CS é colocada em baixo, a linha DOUT em alto e o SCLK é oscilado 40 vezes. A linha CS é então elevada. Isso registra 40 '1s no ADT7320, reiniciando a interface serial. Um atraso de pelo menos 500us é necessário após o barramento SPI ser reiniciado.

O próximo bloco de código envia o byte de comando para o ADT7320 informando se a transação é de Leitura ou Gravação e qual registro deve ser endereçado. A linha

data =0b00001000;

instrui o ADT7320 a gravar no registro 0x01. O ADT7320 é então programado para produzir dados com resolução de 16 bits usando a linha

data =0b10000000;

A linha DOUT é pré-condicionada para '0', o MSB do byte de dados é interrogado e a linha DOUT é definida como alta se o MSB for '1'. A linha SCLK é elevada para registrar os dados no ADT7320.

 void reset_adt7320 (void) / * inicializar ADT7320 * / {unsigned char n, data; / * redefinir a interface serial * / clearbit (PORTA, CS); setbit (PORTA, DOUT); para (n =40; n> 0; n--) {clearbit (PORTA, SCLK); setbit (PORTA, SCLK); } Setbit (PORTA, CS); delay_10ms (); / * deve esperar> 500us após a reinicialização * / / * definido para o modo de 16 bits * / clearbit (PORTA, CS); dados =0b00001000; / * limpar bit 6 (gravar), reg # 001 * / / * enviar byte de comando * / para (n =8; n> 0; n--) {clearbit (PORTA, SCLK); clearbit (PORTA, DOUT); / * pré-condição DOUT * / if checkbit (data, (n-1)) {setbit (PORTA, DOUT); } Setbit (PORTA, SCLK); / * dados de relógio em aumento de SCLK * /} dados =0b10000000; / * conversão contínua, 16 bits * / / * enviar byte de dados * / para (n =8; n> 0; n--) {clearbit (PORTA, SCLK); clearbit (PORTA, DOUT); / * pré-condição DOUT * / if checkbit (data, (n-1)) {setbit (PORTA, DOUT); } Setbit (PORTA, SCLK); } Setbit (PORTA, CS);} 

A chamada de função para obter os dados de temperatura é semelhante à mostrada abaixo. A linha

data =0b01010000;

diz ao ADT7320 para ler o registro 2 para os dados de 16 bits.

O código então espera por pelo menos 240 ms para que o ADT7320 execute uma conversão de temperatura. 16 bits de dados de temperatura são então cronometrados e a linha CS é definida como alta.

 clearbit (PORTA, CS); / * dados =byte de comando * / dados =0b01010000; / * modo de leitura, registro 2 * / / * ler ADT7320 * / para (n =8; n> 0; n--) {clearbit (PORTA, SCLK); clearbit (PORTA, DOUT); / * pré-condição DOUT * / if checkbit (data, (n-1)) {setbit (PORTA, DOUT); } Setbit (PORTA, SCLK); } Atraso_150ms (); / * conversão de temperatura * / delay_150ms (); / * ler dados de temperatura * / para (n =16; n> 0; n--) {clearbit (PORTA, SCLK); if checkbit (PORTA, DIN) {setbit (temp, (n-1)); } Setbit (PORTA, SCLK); } Setbit (PORTA, CS); 

O conjunto completo de códigos está disponível aqui.

Então, quão Frias estão minhas salsichas, exatamente?

The ADT7320 was left inside the freezer for about 30 minutes to see what the temperature our new purchase settled at.

Figure 3 shows the freezer temperature to be -18.83°C.

Figure 3. The Temperature of the Freezer at -18.83°C

I considered this to be impressively accurate given that food does not need to be stored to this level of temperature precision. I then measured the temperature in my office on a summer’s day in the UK. 22.87°C as shown in Figure 4. 

Figure 4. The Temperature of my Office at 22.87°C

Conclusão

Silicon temperature sensors have come a long way, becoming extremely precise, enabling vital signs monitoring to be accomplished to a high level of accuracy. While the technology inside them is based on well-founded principles, the trimming required to get them to sub-degree accuracy levels requires significant effort. Even if this level of accuracy is achieved, mechanical stresses and soldering can easily erase gains achieved from hours of calibration.

The ADT7320 and ADT7422 represent the pinnacle of years of characterisation to achieve sub-degree level precision even after being soldered onto the PCB.

References

Huijsing, Johan and Michiel Pertijis. Precision Temperature Sensors in CMOS Technology. Springer, 2006.
Horowitz, Paul and Winfield Hill. The Art of Electronics . Cambridge University Press, April 2015.
Analog Circuit Design, Volume 2, Chapter 32. Linear Technology, December 2012.
AD590 datasheet. Analog Devices, Inc., January 2013.
ADT5912 data sheet (to be released). Analog Devices, Inc.