Alcançando Medidas de Temperatura de Alta Precisão com Sensores de Silício Avançados

A indústria eletrônica demanda níveis cada vez maiores de precisão e detecção de temperatura não é exceção. Muitas soluções de detecção de temperatura existem, cada uma com seus benefícios e desvantagens. Sensores de temperatura de silício, embora sendo bastante lineares, nunca ofereceram a precisão de outras soluções. No entanto, avanços recentes em detecção de temperatura de silício significam que alta resolução e precisão agora podem ser alcançadas com uma solução de silício.

Um Novo Freezer

Era março de 2020 e o Reino Unido estava prestes a entrar em lockdown. O mundo estava estocando comida caso supermercados fechassem, e o futuro parecia incerto. Então o freezer da casa dos Bramble parou de funcionar. Com as palavras da música de Kenny Rogers, "You Picked a Fine Time to Leave me..." ecoando na cabeça, fomos procurar online por uma nova substituição.

Alguns dias depois nosso novo freezer chegou, completo com display digital de temperatura no painel frontal, como era o desejo da Sra. Bramble. A configuração recomendada era -18°C e após uma hora, o eletrodoméstico estava na temperatura correta e pronto para aceitar comida. Eu era cético sobre a precisão da leitura de temperatura mas não me importei desde que congelasse a comida. Um problema, porém, uma mente de engenharia é uma mente inquieta, e após dias da ostensivamente sábia leitura digital piscando para mim, me desafiando com suas pronúncias confiantes, eu cedi. Tive que testar as alegações de precisão desta nova adição à nossa cozinha.

Sensores de Temperatura

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

Termopares

Termopares fornecem uma forma de baixo custo e moderadamente precisa de medir temperaturas muito altas. Eles dependem de uma tensão sendo gerada entre duas junções, cada uma feita de metais dissimilares, mantidas em temperaturas diferentes, como 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 usado para medir temperaturas acima de 1000°C. No entanto, o efeito Seebeck depende de uma diferença de temperatura entre duas junções, então enquanto a junção 'quente' mede a temperatura de interesse, a junção 'fria' deve ser mantida em temperatura conhecida. Ironicamente, outro sensor de temperatura é necessário na junção fria para a diferença de temperatura ser medida e partes como o AD8494 fornecendo a solução perfeita para fazer isso. Como termopares são fisicamente pequenos, eles têm baixa massa térmica, então dão resposta rápida a mudanças de temperatura.

RTDs

Para medir temperaturas moderadas (<500°C), Detectores de Temperatura Resistivos (RTDs) são amplamente usados pela indústria. Estes dispositivos consistem de um elemento metálico que exibe uma mudança positiva de resistência com temperatura, mais comumente Platina. De fato, o sensor PT-100 é o RTD mais amplamente usado na indústria e recebe seu nome por ser feito de Platina (PT) e ter resistência de 100Ω a 0°C. Embora estes dispositivos não meçam a alta temperatura de um termopar, eles são altamente lineares e sua leitura é repetível. Um PT100 precisa de uma corrente de excitação precisa, criando uma queda de voltagem precisa através do sensor que é proporcional à temperatura. A resistência dos fios de conexão do PT100 cria um erro na medição de resistência do sensor, então Kelvin-sensing é típico, resultando em sensores de 3 ou 4 fios.

Termistores

Se uma solução de baixo custo é requerida e a faixa de temperatura é baixa, um termistor frequentemente basta. Estes dispositivos são altamente não-lineares, com uma característica baseada na equação de Steinhart-Hart, resultando em redução de resistência com aumento de temperatura. O benefício de um termistor é que a mudança de resistência é grande com pequenas mudanças de temperatura, então um alto nível de precisão pode ser alcançado apesar de sua não-linearidade. Termistores também apresentam resposta térmica rápida. Não-linearidades individuais de termistores são bem definidas, então podem ser calibradas para fora, usando componentes como o LTC2986.

Diodos, Diodos em Todo Lugar, mas Nenhuma Queda (Vbe) para Afundar...

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

Um sensor de temperatura de silício explora a dependência de temperatura do Vbe de um transistor, como dado pela equação de Ebers-Moll, aproximada por:

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

A expressão acima para corrente de coletor também vale 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 de elétrons recombinando com buracos enquanto 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 de coletor, logo a não-linearidade é muito menor.

Reorganizando o acima obtemos

Is é pequeno comparado com Ic, então podemos ignorar o termo '1' 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 Is são constantes então Vbe muda linearmente com temperatura, já 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 temperatura.

Is está relacionado à geometria do transistor e tem forte dependência de temperatura. Como muitos dispositivos de silício, seu valor dobra a cada aumento de 10°C na temperatura. Embora o efeito desta mudança de corrente seja reduzido pela função 'ln' ainda temos o problema que o valor absoluto de Vbe muda de transistor para transistor e assim calibração é necessária. Então sensores práticos de temperatura de silício usam dois transistores idênticos e forçam uma corrente de coletor de Ic em um e 10Ic no outro. Transistores idênticos e correntes ratio-metricamente precisas são fáceis de fabricar em um circuito integrado, por isso a maioria dos sensores de silício usa esta arquitetura. A mudança logarítmica de corrente causa uma mudança linear em Vbe e a diferença nos Vbe's é então medida.

Da equação acima, para dois transistores mantidos na mesma temperatura, a diferença entre seus Vbe's é dada por

desde que

Podemos ver que

Forçando correntes diferentes através de cada transistor e medindo a diferença em Vbe, removemos o termo Is não-linear, o efeito de Vbe absolutos diferentes e todos os outros efeitos não-lineares associados à geometria do transistor. Como k, q e ln10 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's muda linearmente com temperatura a aproximadamente 198µV/°C. Um circuito simplificado para alcançar isso é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Um Circuito Básico para Medição de Temperatura.

As correntes na Figura 1 devem ser cuidadosamente escolhidas. Se a corrente for muito alta, auto-aquecimento significativo e quedas de voltagem através das resistências internas dentro do transistor corrompem o resultado. Se a corrente for muito baixa, correntes de vazamento dentro do transistor adicionam erros significativos.

Também deve ser notado que as equações acima relacionam-se à corrente de coletor do transistor enquanto a Figura 1 mostra uma corrente de emissor constante sendo injetada no transistor. Os transistores podem ser projetados de forma que a razão de corrente coletor-para-emissor seja bem estabelecida (e próxima da unidade), então corrente de coletor é proporcional à corrente de emissor.

Este é apenas o começo da história. Para obter precisão de ±0,1°C com um sensor de temperatura de silício, caracterização extensiva e trimming 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. Estes dispositivos podem medir com precisão de melhor 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 então muitos dispositivos podem ser calibrados em um único ciclo.

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

Figura 2. O ADT7422 Montado em PCB de 0,8mm de Espessura

A calibração do sensor de temperatura de silício não é o único problema, no entanto. Como com referências de voltagem extremamente precisas, tensões no die podem corromper a precisão do sensor e a expansão térmica do PCB, lead frame, moldagem plástica e pads expostos todos precisam ser contabilizados. O processo de soldagem também adiciona seus próprios problemas. O processo de reflow de solda aumenta a temperatura de uma peça a 260°C, causando o amolecimento da embalagem plástica e distorção do lead frame do die, de forma que quando a peça esfria e o plástico endurece, um estresse mecânico é travado no die. Engenheiros da Analog Devices gastaram muitos homem-meses de experimentação delicada para descobrir que uma espessura de PCB de 0,8mm era o sweet spot perfeito e uma precisão de ±0,1°C poderia ser alcançada, mesmo após soldagem.

Dentro do Software

A maior parte do software do sistema preocupa-se com formatação dos dados do ADT7320 e exibição no LCD. Obter os dados do ADT7320 é trivial. Quando o processador é inicializado, tanto a linha CS quanto SCLK são definidas high e a linha SCLK fica ociosa high entre conversões. A linha CS é então levada low para iniciar uma transação de dados. Com SPI, dados são lidos no ADT7320 na borda de subida da linha SCLK e saem na borda de descida. O código abaixo detalha a rotina de inicialização.

Para resetar a interface serial, a linha CS é levada low, a linha DOUT é levada high e o SCLK é oscilado 40 vezes. A linha CS é então levada high. Isso faz clock de 40 '1's no ADT7320, resetando a interface serial. Um delay de pelo menos 500us é necessário após o reset do barramento SPI.

O próximo bloco de código envia o byte de comando para o ADT7320 dizendo se a transação é Read ou Write e qual registrador endereçar. A linha

data = 0b00001000;

instrui o ADT7320 a Write no registrador 0x01. O ADT7320 é então programado para saída de dados em resolução de 16 bits usando a linha

data = 0b10000000;

A linha DOUT é pré-condicionada a '0', o MSB do byte de dados é interrogado e a linha DOUT é definida high se o MSB é '1'. A linha SCLK é levada high para fazer clock do dado no ADT7320.

void reset_adt7320(void) /* inicializa ADT7320 */ { unsigned char n, data; /* reset a interface serial */ clearbit(PORTA, CS); setbit(PORTA, DOUT); for(n=40; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); setbit(PORTA, SCLK); } setbit(PORTA, CS); delay_10ms(); /* deve esperar >500us após reset */ /* define para modo 16 bit */ clearbit(PORTA, CS); data = 0b00001000; /* limpa bit 6 (write), reg #001 */ /* envia byte de comando */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* pré-condiciona DOUT */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); /* clock data na borda de subida SCLK */ } data = 0b10000000; /* conversão contínua, 16 bits */ /* envia byte de dados */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* pré-condiciona 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 similar como mostrado abaixo. A linha

data = 0b01010000;

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

O código então espera pelo menos 240ms para o ADT7320 realizar uma conversão de temperatura. 16 bits de dados de temperatura são então clockados para fora, então a linha CS é definida high.

 clearbit(PORTA, CS); /* data = byte de comando */ data = 0b01010000; /* modo read, registrador 2 */ /* lê ADT7320 */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* pré-condiciona DOUT */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); } delay_150ms(); /* conversão de temperatura */ delay_150ms(); /* lê dados de temperatura */ for(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 código está disponível aqui.

Então, Quão Frio Estão Minhas Salsichas, Exatamente?

O ADT7320 foi deixado dentro do freezer por cerca de 30 minutos para ver em que temperatura nossa nova aquisição estabilizou.

A Figura 3 mostra a temperatura do freezer em -18,83°C.

Figura 3. A Temperatura do Freezer em -18,83°C

Considerei isso impressionantemente preciso dado que comida não precisa ser armazenada a este nível de precisão de temperatura. Então medi a temperatura no meu escritório em um dia de verão no Reino Unido. 22,87°C como mostrado na Figura 4.

Figura 4. A Temperatura do Meu Escritório em 22,87°C

Conclusão

Sensores de temperatura de silício percorreram um longo caminho, tornando-se extremamente precisos, permitindo monitoramento de sinais vitais ser realizado com alto nível de precisão. Embora a tecnologia dentro deles seja baseada em princípios bem fundamentados, o trimming necessário para levá-los a precisão sub-grau requer esforço significativo. Mesmo se este nível de precisão é alcançado, tensões mecânicas e soldagem podem facilmente apagar ganhos alcançados de horas de calibração.

O ADT7320 e ADT7422 representam o ápice de anos de caracterização para alcançar precisão de nível sub-grau mesmo após serem soldados no PCB.

Referências

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