Sensores termicos

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Sensores Integrados em Silício IE012 SensoresTérmicos I
Professor Fabiano Fruett UNICAMP – FEEC - DSIF Sala 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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Escalas de temperatura
T ( K ) − 273,15 T ( F ) − 32 T ( C ) = = 5 9 5
Pontos de calibração Energia térmicazero Água sólido/liquido Água líquido/gás K 0 273,15 373,15 Temperatura °F -459,6 32 212

°C -273,15 0 100

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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

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Termopares – Efeito Seebeck∆V = α AB ∆T
sendo que αAB o coeficiente de Seebeck relativo entre os materiais A e B, expresso em V/K.

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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 • Acúmulode cargas

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

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

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

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Não linearidade

∆T = a0 + a1∆V + a2 ∆V 2 + ... + an ∆V n
Fonte: National semiconductors

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Efeito Seebeck em materiais diferentes

α é o coeficiente de Seebeck k é a condutividade elétrica kT é a condutividade térmica N é a densidade de portadores

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

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11Coeficiente 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

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

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

RTD

OHMMETER

RTD

High Impedance Voltmeter

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Sensores modulantes integrados
- Variação da resistência em semicondutores (termistor) - Variação da tensão de polarização direta em diodos - Variação datensão 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:
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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)

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Silício extrínsecotipo n
µn(T)
ni(T)

Efeitos + dominantes: N D (T )

Faixa de interesse

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Resistor integrado
Processo Bipolar 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+ Contato (n+) do resistor Epitaxia tipo n Substrato tipo p

Isolação

Camada enterrada

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Limitações...