Mencapai Pengukuran Suhu Tinggi Presisi dengan Sensor Silikon Canggih
Industri elektronik menuntut tingkat akurasi yang semakin tinggi, dan pengukuran suhu tidak terkecuali. Banyak solusi pengukuran suhu ada, masing-masing dengan manfaat dan keterbatasannya. Sensor suhu silikon, meskipun cukup linier, tidak pernah menawarkan akurasi sebanding solusi lain. Namun, kemajuan terbaru dalam pengukuran suhu silikon berarti resolusi dan presisi tinggi kini dapat dicapai dengan solusi silikon.
Freezer Baru
Bulan Maret 2020 dan Inggris hampir akan masuk lockdown. Dunia menyimpan cadangan makanan untuk mengantisipasi penutupan supermarket, dan masa depan terlihat tidak pasti. Kemudian freezer rumah Bramble berhenti bekerja. Dengan lirik lagu Kenny Rogers, "You Picked a Fine Time to Leave me…" yang bergema di kepala kami, kami mencari pengganti baru secara online.
Beberapa hari kemudian freezer baru tiba, lengkap dengan layar temperatur digital di panel depan, seperti keinginan Nyonya Bramble. Pengaturan yang disarankan adalah -18°C dan setelah satu jam, alat berada pada suhu yang benar dan siap menerima makanan. Saya ragu terhadap akurasi bacaan temperatur tetapi tidak peduli selama itu membeku makanan. Satu masalah, meskipun, pikiran insinyur adalah pikiran yang gelisah, dan setelah hari layar digital yang tampaknya bijaksana menatap saya tanpa berkedip, memantau saya dengan pernyataan yang percaya diri, saya patah. Saya harus menguji klaim akurasi dari tambahan baru ini di dapur kami.
Sensor Suhu
Terdapat berbagai macam sensor suhu yang digunakan dalam aplikasi industri, masing-masing dengan keuntungan dan keterbatasan. Karena banyak teks yang menjelaskan operasi berbagai sensor suhu, saya tidak mengulangi detailnya di sini, tetapi menawarkan ringkasan di bawah.
Termokopel
Termokopel menyediakan cara berbiaya rendah dan cukup akurat untuk mengukur suhu yang sangat tinggi. Mereka bergantung pada tegangan yang dihasilkan antara dua gabungan, masing-masing terbuat dari logam yang berbeda, yang diposisikan pada suhu yang berbeda, sebagaimana ditemukan oleh Thomas Seebeck pada 1821. Dalam kasus termokopel Tipe-K (terbuat dari paduan Chromel dan Alumel) menghasilkan tegangan sekitar 41μV/°C dan dapat digunakan untuk mengukur suhu di atas 1000°C. Namun, efek Seebeck bergantung pada selisih suhu antara dua gabungan, jadi sementara gabungan 'panas' mengukur suhu yang diinginkan, gabungan 'dingin' harus dijaga pada suhu yang diketahui. Secara ironis, sensor suhu lain diperlukan di gabungan dingin agar selisih suhu dapat diukur dan bagian seperti AD8494 menyediakan solusi yang sempurna untuk melakukan ini. Karena termokopel fisik kecil, mereka memiliki massa termal rendah, sehingga memberikan respons cepat terhadap perubahan suhu.
RTD
Untuk mengukur suhu sedang (<500°C), Detektor Suhu Resistif (RTD) banyak digunakan oleh industri. Perangkat ini terdiri dari elemen logam yang menunjukkan perubahan positif dalam resistansi dengan suhu, paling umum adalah Platinum. Memang, sensor PT-100 adalah RTD yang paling banyak digunakan di industri dan mendapat namanya karena terbuat dari Platinum (PT) dan memiliki resistansi 100Ω pada 0°C. Meskipun perangkat ini tidak mengukur suhu tinggi seperti termokopel, mereka sangat linier dan bacaan mereka dapat diulang. PT100 membutuhkan arus pengemudi yang presisi, menciptakan penurunan tegangan yang akurat di seluruh sensor yang proporsional dengan suhu. Resistansi kabel penghubung PT100 menciptakan kesalahan dalam pengukuran resistansi sensor, jadi pengukuran Kelvin biasanya, menghasilkan sensor 3- atau 4-kabel.
Termistor
Jika solusi berbiaya rendah diperlukan dan rentang suhu rendah, termistor sering cukup. Perangkat ini sangat nonlinier, dengan karakteristik berdasarkan persamaan Steinhart Hart, menghasilkan pengurangan resistansi seiring peningkatan suhu. Manfaat termistor adalah perubahan resistansi yang besar dengan perubahan suhu yang kecil, sehingga tingkat akurasi tinggi dapat dicapai meskipun nonlinier. Termistor juga memiliki respons termal cepat. Nonlinieritas termistor individual terdefinisi dengan baik, jadi dapat dikalibrasi, menggunakan komponen seperti LTC2986.
Dioda, Dioda di mana-mana, tetapi tidak ada (Vbe) Drop untuk Tenggelam…
Akhirnya, untuk menguji keabsahan anggota baru rumah, saya memilih sensor suhu silikon. Mereka bekerja langsung dari kotak, tidak memerlukan kompensasi suhu gabungan dingin atau linearisasi, tersedia dengan output analog dan digital dan datang terkalibrasi. Namun, sampai akhir-akhir ini, mereka hanya menawarkan akurasi sedang. Meskipun cukup baik untuk menunjukkan status kesehatan peralatan elektronik, mereka tidak pernah cukup akurat untuk mengukur, misalnya, suhu tubuh, biasanya membutuhkan akurasi ±0.1°C (menurut standar ASTM E1112). Itu telah berubah dengan rilis terbaru sensor suhu silikon ADT7422 dan ADT7320 yang dapat mengukur dengan resolusi ±0.1°C dan ±0.2°C masing-masing.
Sensor suhu silikon mengeksploitasi ketergantungan suhu dari Vbe transistor, sebagaimana diberikan oleh persamaan Ebers Moll, diaproximasi oleh:
di mana Ic adalah arus kolektor, Is adalah arus saturasi terbalik transistor, q adalah muatan elektron (1.602 x 10-19 Coulomb), k adalah konstanta Boltzmann (1.38 x 10-23) dan T adalah suhu mutlak.
Ekspresi di atas untuk arus kolektor juga berlaku untuk arus dioda; jadi mengapa setiap rangkaian aplikasi menggunakan transistor dan bukan dioda? Dalam kenyataan, arus dioda juga mencakup arus rekombinasi yang dihasilkan dari elektron yang berekombinasi dengan lubang saat mereka melewati wilayah peresapan persambungan pn dan ini menyajikan nonlinieritas arus dioda dengan Vbe dan suhu. Arus ini juga muncul dalam transistor bipolar, tetapi mengalir ke dasar transistor sehingga tidak muncul dalam arus kolektor, oleh karena itu nonlinieritasnya jauh lebih kecil.
Mengatur ulang di atas memberikan
Is kecil dibandingkan dengan Ic, jadi kita dapat mengabaikan istilah ‘1’ dalam persamaan di atas. Kita sekarang dapat melihat bahwa Vbe berubah linier sesuai dengan perubahan logaritmik dalam Ic. Kita juga dapat melihat bahwa jika Ic dan Is konstan maka Vbe berubah linier dengan suhu, karena k dan q juga konstan. Ini tugas mudah untuk memaksa arus kolektor konstan ke dalam transistor dan mengukur bagaimana Vbe berubah dengan suhu.
Is terkait dengan geometri transistor dan memiliki ketergantungan kuat pada suhu. Seperti banyak perangkat silikon, nilainya melipat ganda dengan setiap kenaikan suhu 10°C. Meskipun efek perubahan arus ini diminuta oleh fungsi ‘ln’ kita masih memiliki masalah bahwa nilai absolut Vbe berubah dari transistor ke transistor dan oleh karena itu kalibrasi diperlukan. Jadi sensor suhu silikon praktis menggunakan dua transistor identik dan memaksa arus kolektor Ic ke satu dan 10Ic ke yang lain. Transistor identik dan arus yang akurat rasio mudah diproduksi dalam rangkaian terintegrasi yang sebabnya sebagian besar sensor silikon menggunakan arsitektur ini. Perubahan logaritmik dalam arus menyebabkan perubahan linier dalam Vbe dan selisih Vbe kemudian diukur.
Dari persamaan di atas, untuk dua transistor yang diposisikan pada suhu yang sama, selisih antara Vbe mereka diberikan oleh
karena
Kita dapat melihat bahwa
Dengan memaksa arus yang berbeda melalui setiap transistor dan mengukur selisih Vbe, kita telah menghilangkan istilah Is yang nonlinier, efek dari Vbe absolut yang berbeda dan semua efek nonlinier lainnya yang terkait dengan geometri transistor. Karena k, q dan ln10 semuanya konstan, perubahan Vbe adalah Proporsional Terhadap Suhu Mutlak (PTAT). Untuk perbedaan arus 10x, selisih dua Vbe berubah linier dengan suhu sekitar 198μV/°C. Rangkaian sederhana untuk mencapai ini ditunjukkan dalam Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian Dasar untuk Mengukur Suhu.
Arus dalam Gambar 1 harus dipilih dengan hati-hati. Jika arus terlalu tinggi, pemanasan diri yang signifikan dan penurunan tegangan di seluruh resistansi internal dalam transistor merusak hasilnya. Jika arus terlalu rendah, arus bocoran di dalam transistor menambahkan kesalahan yang signifikan.
Penting juga untuk dicatat bahwa persamaan di atas berkaitan dengan arus kolektor transistor sementara Gambar 1 menunjukkan arus emitor konstan yang diinjeksikan ke dalam transistor. Transistor dapat dirancang sehingga rasio arus kolektor ke emitor terjamin (dan mendekati satunya), sehingga arus kolektor proporsional dengan arus emitor.
Ini hanyalah awal dari cerita. Untuk mendapatkan akurasi ±0.1°C dengan sensor suhu silikon, karakterisasi ekstensif dan pemotongan diperlukan.
Apakah Ini Burung? Apakah Ini Pesawat?
Tidak, ini adalah termometer super. Ya, mereka ada. Sensor suhu silikon yang belum dikalibrasi perlu ditempatkan dalam bak yang diisi minyak silikon dan dipanaskan ke suhu yang presisi, diukur dengan termometer super. Perangkat ini dapat mengukur dengan akurasi lebih baik dari lima desimal. Sekering di dalam sensor dirembes untuk menyesuaikan gain sensor suhu dan dengan demikian melinierisasi outputnya menggunakan persamaan y = mx + C. Minyak silikon menyediakan suhu yang sangat seragam sehingga banyak perangkat dapat dikalibrasi dalam satu siklus.
ADT7422 memiliki akurasi ±0.1°C, dalam rentang suhu 25°C hingga 50°C. Rentang suhu ini berpusat pada suhu tubuh manusia yang umum sebesar 38°C membuat ADT7422 ideal untuk pemantauan tanda vital yang akurat. Untuk aplikasi industri, ADT7320 dipotong jadi memiliki akurasi ±0.2°C, tetapi dalam rentang suhu yang lebih luas -10°C hingga +85°C.
Gambar 2. ADT7422 Terpasang pada PCB Tebal 0.8mm
Kalibrasi sensor suhu silikon bukan masalah satu-satunya, namun. Seperti referensi tegangan yang sangat presisi, tekanan pada die dapat merusak akurasi sensor dan ekspansi termal PCB, kerangka logam, cetakan plastik dan pemasang yang terbuka semuanya perlu diperhitungkan. Proses pengolahan juga menambahkan masalahnya sendiri. Proses reflow solder meningkatkan suhu bagian menjadi 260°C, menyebabkan kemasan plastik melunak dan kerangka logam die meregang, sehingga ketika bagian mendingin dan plastik mengeras, tekanan mekanis terkunci di dalam die. Para insinyur Analog Devices menghabiskan banyak bulan manusia dari eksperimen yang halus untuk menemukan bahwa tebal PCB 0.8mm adalah titik manis yang sempurna dan akurasi ±0.1°C dapat dicapai, bahkan setelah solder.
Di Dalam Perangkat Lunak
Sebagian besar perangkat lunak sistem berkaitan dengan memformat data dari ADT7320 dan menampilkannya pada LCD. Mendapatkan data dari ADT7320 adalah hal yang mudah. Ketika prosesor diinisialisasi, baik garis CS dan SCLK diatur tinggi dan garis SCLK idle tinggi antar konversi. Garis CS kemudian ditarik rendah untuk memulai transaksi data. Dengan SPI, data dibaca ke dalam ADT7320 pada tepi naik garis SCLK dan keluar pada tepi turun. Kode di bawah ini merinci rutin inisialisasi.
Untuk mereset antarmuka serial, garis CS ditarik rendah, garis DOUT ditarik tinggi dan SCLK diosilasi 40 kali. Garis CS kemudian ditarik tinggi. Ini mengkloak 40 '1' ke dalam ADT7320, mereset antarmuka serial. Tunda setidaknya 500us diperlukan setelah bus SPI direset.
Blok kode berikut mengirimkan byte perintah ke ADT7320 memberitahukan apakah transaksi adalah Read atau Write dan register mana yang akan diaddressi. Baris
data = 0b00001000;
menginstruksikan ADT7320 untuk Write ke register 0x01. ADT7320 kemudian diprogram untuk mengeluarkan data dengan resolusi 16 bit menggunakan baris
data = 0b10000000;
Garis DOUT dikondisikan sebelumnya ke ‘0’, MSB dari byte data diinterogasi dan garis DOUT diatur tinggi jika MSB adalah ‘1’. Garis SCLK ditarik tinggi untuk mengkloak data ke dalam ADT7320.
void reset_adt7320(void) /* initialise ADT7320 */ { unsigned char n, data; /* reset the serial interface */ clearbit(PORTA, CS); setbit(PORTA, DOUT); for(n=40; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); setbit(PORTA, SCLK); } setbit(PORTA, CS); delay_10ms(); /* must wait >500us after reset */ /* set to 16 bit mode */ clearbit(PORTA, CS); data = 0b00001000; /* clear bit 6 (write), reg #001 */ /* send command byte */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* precondition DOUT */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); /* clock data in on rising SCLK */ } data = 0b10000000; /* continuous conversion, 16 bits */ /* send data byte */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* precondition DOUT */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); } setbit(PORTA, CS); }
Pemanggilan fungsi untuk mendapatkan data suhu mirip seperti yang ditunjukkan di bawah. Baris
data = 0b01010000;
memberitahu ADT7320 untuk membaca register 2 untuk data 16 bit.
Kode kemudian menunggu setidaknya 240ms untuk ADT7320 melakukan konversi suhu. 16 bit data suhu kemudian di-clock keluar, lalu garis CS diatur tinggi.
ADT7320 dibiarkan di dalam freezer selama sekitar 30 menit untuk melihat suhu tempat pembelian baru kami menetap.
Gambar 3 menunjukkan suhu freezer sebesar -18.83°C.
Gambar 3. Suhu Freezer sebesar -18.83°C
Saya menganggap ini cukup akurat mengingat makanan tidak perlu disimpan dengan tingkat presisi suhu seperti itu. Saya kemudian mengukur suhu di kantor saya pada hari panas di Inggris. 22.87°C seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. Suhu Kantor Saya sebesar 22.87°C
Kesimpulan
Sensor suhu silikon telah berkembang jauh, menjadi sangat presisi, memungkinkan pemantauan tanda vital dilakukan dengan tingkat akurasi yang tinggi. Meskipun teknologi di dalamnya didasari oleh prinsip-prinsip yang kuat, pemotongan yang diperlukan untuk mencapai akurasi di bawah derajat memerlukan upaya yang signifikan. Bahkan jika tingkat akurasi ini tercapai, tekanan mekanis dan solder dapat dengan mudah menghapus keuntungan yang dicapai dari jam-jam kalibrasi.
ADT7320 dan ADT7422 mewakili puncak dari bertahun-tahun karakterisasi untuk mencapai presisi di bawah tingkat derajat bahkan setelah disolder pada PCB.
Referensi
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.
