Melakukan pengukuran presisi dengan sensor suhu silikon

Industri elektronik menuntut tingkat akurasi yang lebih tinggi dan penginderaan suhu tidak terkecuali. Banyak solusi penginderaan suhu yang ada, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya. Sensor suhu silikon, meskipun cukup linier, tidak pernah menawarkan akurasi solusi lain. Namun, kemajuan terbaru dalam penginderaan suhu silikon berarti bahwa resolusi dan presisi tinggi sekarang dapat dicapai dengan solusi silikon.

Freezer Baru

Saat itu Maret 2020 dan Inggris baru saja akan dikunci. Dunia menimbun makanan jika supermarket tutup, dan masa depan tampak tidak pasti. Kemudian freezer di rumah tangga Bramble berhenti bekerja. Dengan lirik lagu Kenny Rogers, “You Picked a Fine Time to Leave me…” bergema di kepalaku, kami mencari pengganti baru secara online.

Beberapa hari kemudian freezer baru kami datang, lengkap dengan tampilan suhu digital di panel depan, seperti keinginan Bu Bramble. Pengaturan yang disarankan adalah -18°C dan setelah satu jam, alat berada pada suhu yang benar dan siap menerima makanan. Saya skeptis dengan keakuratan pembacaan suhu tetapi tidak peduli selama itu membekukan makanan. Namun, satu masalah, pikiran rekayasa adalah pikiran yang gelisah, dan setelah berhari-hari pembacaan digital yang seolah-olah bijak tanpa berkedip menatap saya, menantang saya dengan pernyataannya yang penuh percaya diri, saya putus asa. Saya harus menguji klaim akurasi dari tambahan baru ini di dapur kami.

Sensor Suhu

Ada berbagai macam sensor suhu yang digunakan dalam aplikasi industri, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangan. Karena banyak teks merinci pengoperasian berbagai sensor suhu, saya tidak mengulangi detailnya di sini, tetapi menawarkan ringkasan di bawah ini.

Termokopel

Termokopel menyediakan cara yang murah dan cukup akurat untuk mengukur suhu yang sangat tinggi. Mereka mengandalkan tegangan yang dihasilkan antara dua persimpangan, masing-masing terbuat dari logam yang berbeda, diadakan pada suhu yang berbeda, seperti yang ditemukan oleh Thomas Seebeck pada tahun 1821. Dalam kasus termokopel Tipe-K (terbuat dari paduan Chromel dan Alumel) yang dihasilkannya tegangan sekitar 41μV/°C dan dapat digunakan untuk mengukur suhu lebih dari 10000°C. Namun demikian, efek Seebeck bergantung pada perbedaan suhu antara dua persimpangan, jadi sementara persimpangan 'panas' mengukur suhu yang diinginkan, persimpangan 'dingin' harus dijaga pada suhu yang diketahui. Ironisnya, sensor suhu lain diperlukan di persimpangan dingin untuk mengukur perbedaan suhu dan bagian seperti AD8494 memberikan solusi sempurna untuk melakukan ini. Karena termokopel secara fisik kecil, mereka memiliki massa termal yang rendah, jadi berikan respons yang cepat terhadap perubahan suhu.

RTD

Untuk mengukur suhu sedang (<500 °C), Resistive Temperature Detectors (RTDs) banyak digunakan oleh industri. Perangkat ini terdiri dari elemen logam yang menunjukkan perubahan positif dalam resistensi dengan suhu, paling sering Platinum. Memang, sensor PT-100 adalah RTD yang paling banyak digunakan di industri dan mendapatkan namanya karena terbuat dari Platinum (PT) dan memiliki ketahanan 100Ω pada 0 °C. Meskipun perangkat ini tidak mengukur suhu tinggi termokopel, perangkat ini sangat linier dan pembacaannya dapat diulang. PT100 membutuhkan arus penggerak yang tepat, menciptakan penurunan tegangan yang akurat di seluruh sensor yang sebanding dengan suhu. Resistansi kabel penghubung PT100 membuat kesalahan dalam pengukuran resistansi sensor, jadi penginderaan Kelvin adalah tipikal, menghasilkan sensor 3 atau 4 kabel.

Termistor

Jika solusi berbiaya rendah diperlukan dan kisaran suhu rendah, termistor seringkali sudah cukup. Perangkat ini sangat nonlinier, dengan karakteristik berdasarkan persamaan Steinhart Hart, menghasilkan pengurangan resistensi dengan meningkatnya suhu. Manfaat termistor adalah bahwa perubahan resistansi besar dengan perubahan suhu yang kecil, sehingga tingkat akurasi yang tinggi dapat dicapai meskipun nonlinier. Termistor juga menampilkan respons termal yang cepat. Nonlinier termistor individu didefinisikan dengan baik, sehingga dapat dikalibrasi, menggunakan komponen seperti LTC2986.

Dioda, Dioda di mana-mana, tapi bukan (Vbe) Drop to Sink…

Akhirnya, untuk menguji kebenaran anggota baru rumah tangga, saya memilih sensor suhu silikon Mereka bekerja langsung dari kotak, tidak memerlukan kompensasi suhu sambungan dingin atau linierisasi, tersedia dengan output analog dan digital dan sudah dikalibrasi sebelumnya . Namun, hingga saat ini, mereka hanya menawarkan akurasi sedang. Meskipun cukup baik untuk menunjukkan keadaan kesehatan peralatan elektronik, mereka tidak pernah cukup akurat untuk mengukur, katakanlah, suhu tubuh, biasanya membutuhkan akurasi ±0,1°C (menurut standar ASTM E1112). Itu telah berubah dengan rilis terbaru dari sensor suhu silikon ADT7422 dan ADT7320 yang dapat mengukur resolusi masing-masing ±0,1°C dan ±0,2°C.

Sensor suhu silikon memanfaatkan ketergantungan suhu Vbe . transistor , seperti yang diberikan oleh persamaan Ebers Moll, didekati dengan:

dimana Ic adalah arus kolektor, Is adalah arus saturasi terbalik dari transistor, q adalah muatan elektron (1,602 x 10 ^-19 Coulomb), k adalah konstanta Boltzmann (1,38 x 10 ^-23 ) dan B adalah suhu mutlak.

Ekspresi di atas untuk arus kolektor juga berlaku untuk arus dalam dioda; jadi mengapa setiap rangkaian aplikasi menggunakan transistor dan bukan dioda? Pada kenyataannya, arus dalam dioda juga mencakup arus rekombinasi yang dihasilkan dari rekombinasi elektron dengan lubang saat mereka melewati daerah penipisan sambungan pn dan ini menyajikan nonlinieritas arus dioda dengan Vbe dan suhu. Arus ini juga muncul pada transistor bipolar, tetapi mengalir ke basis transistor sehingga tidak muncul pada arus kolektor, sehingga nonlinieritasnya jauh lebih kecil.

Mengatur ulang di atas memberi

Ada kecil dibandingkan dengan Ic , jadi kita bisa mengabaikan ‘1’ istilah dalam persamaan di atas. Sekarang kita dapat melihat bahwa Vbe berubah secara linier sesuai dengan perubahan logaritmik di Ic . Kita juga dapat melihat bahwa jika Ic dan Ada konstan maka Vbe berubah secara linier dengan suhu, karena k dan q juga konstan. Ini adalah tugas yang mudah untuk memaksa arus kolektor konstan ke transistor dan mengukur bagaimana Vbe berubah dengan suhu.

Ada terkait dengan geometri transistor dan memiliki ketergantungan yang kuat pada suhu. Seperti banyak perangkat silikon, nilainya berlipat ganda dengan setiap kenaikan suhu 10°C. Sementara efek dari perubahan arus ini dikurangi dengan ‘ln’ fungsi kita masih memiliki masalah bahwa nilai absolut Vbe perubahan dari transistor ke transistor dan dengan demikian kalibrasi diperlukan. Jadi sensor suhu silikon praktis menggunakan dua transistor identik dan memaksa arus kolektor Ic menjadi satu dan 10Ic ke yang lain. Transistor yang identik dan arus yang akurat secara rasiometrik mudah dibuat dalam sirkuit terpadu, itulah sebabnya sebagian besar sensor silikon menggunakan arsitektur ini. Perubahan logaritmik pada arus menyebabkan perubahan linier pada Vbe dan perbedaan Vbe kemudian diukur.

Dari persamaan di atas, untuk dua transistor ditahan pada suhu yang sama , perbedaan antara Vbe . mereka 's diberikan oleh

sejak

Kita bisa melihatnya

Dengan memaksa arus yang berbeda melalui setiap transistor dan mengukur perbedaan Vbe , kami telah menghapus Is . nonlinier istilah, efek dari Vbe's absolute absolut yang berbeda dan semua efek nonlinier lainnya yang terkait dengan geometri transistor. Sejak k , q dan ln 10 semuanya konstan, perubahan Vbe adalah Proporsional Untuk Suhu Absolut (PTAT). Untuk perbedaan arus 10x, perbedaan keduanya Vbe 's berubah secara linier dengan suhu sekitar 198μV/°C. Sirkuit yang disederhanakan untuk mencapai ini ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Rangkaian Dasar Pengukuran Suhu.

Arus pada Gambar 1 harus dipilih dengan cermat. Jika arus terlalu tinggi, pemanasan sendiri yang signifikan dan tegangan turun melintasi resistansi internal di dalam transistor merusak hasilnya. Jika arus terlalu rendah, arus bocor di dalam transistor menambah kesalahan yang signifikan.

Perlu juga dicatat bahwa persamaan di atas berhubungan dengan kolektor arus transistor sedangkan Gambar 1 menunjukkan emitor konstan arus yang disuntikkan ke transistor. Transistor dapat dirancang sedemikian rupa sehingga rasio arus kolektor ke emitor ditetapkan dengan baik (dan mendekati kesatuan), sehingga arus kolektor sebanding dengan arus emitor.

Ini hanya awal dari cerita. Untuk mendapatkan akurasi ±0,1°C dengan sensor suhu silikon, karakterisasi dan pemangkasan ekstensif perlu dilakukan.

Apakah itu Burung? Apakah itu Pesawat?

Tidak, ini adalah termometer super. Ya, mereka memang ada. Sensor suhu silikon yang tidak dikalibrasi perlu ditempatkan ke dalam bak berisi minyak silikon dan dipanaskan hingga suhu yang tepat, diukur dengan termometer super. Perangkat ini dapat mengukur akurasi yang lebih baik dari lima tempat desimal. Sekering di dalam sensor ditiup untuk mengubah penguatan sensor suhu dan dengan demikian linierisasi outputnya menggunakan persamaan y =mx + C . Minyak silikon memberikan suhu yang sangat seragam sehingga banyak perangkat dapat dikalibrasi dalam satu siklus.

ADT7422 memiliki akurasi ±0,1°C, pada rentang suhu 25°C hingga 50°C. Kisaran suhu ini berpusat di sekitar suhu tubuh manusia yang khas yaitu 38°C membuat ADT7422 ideal untuk pemantauan tanda-tanda vital yang akurat. Untuk aplikasi industri, ADT7320 dipangkas sehingga memiliki akurasi ±0,2°C, tetapi pada rentang suhu yang lebih luas dari -10°C hingga +85°C.

Gambar 2. ADT7422 Dipasang pada PCB Tebal 0.8mm

Kalibrasi sensor suhu silikon bukan satu-satunya masalah. Seperti halnya referensi tegangan yang sangat presisi, tekanan pada cetakan dapat merusak keakuratan sensor dan ekspansi termal PCB, rangka timah, cetakan plastik, dan bantalan yang terbuka semuanya harus diperhitungkan. Proses penyolderan juga menambah masalah tersendiri. Proses reflow solder meningkatkan suhu bagian hingga 260 ° C, menyebabkan kemasan plastik melunak dan rangka timah mati terdistorsi, sehingga ketika bagian mendingin dan plastik mengeras, tekanan mekanis terkunci ke dalam cetakan. Insinyur Perangkat Analog menghabiskan banyak waktu berbulan-bulan dalam eksperimen yang rumit untuk menemukan bahwa ketebalan PCB 0,8 ​​mm adalah titik manis yang sempurna dan akurasi ±0,1°C dapat dicapai, bahkan setelah penyolderan.

Di dalam Perangkat Lunak

Sebagian besar perangkat lunak sistem berkaitan dengan pemformatan data dari ADT7320 dan menampilkannya di LCD. Mendapatkan data dari ADT7320 itu sepele. Saat prosesor diinisialisasi, baik jalur CS dan SCLK disetel tinggi dan jalur SCLK idle tinggi di antara konversi. Jalur CS kemudian diambil rendah untuk memulai transaksi data. Dengan SPI, data dibaca masuk ke ADT7320 di tepi naik garis SCLK dan keluar di tepi turun. Kode di bawah ini merinci rutinitas inisialisasi.

Untuk mereset serial interface, jalur CS diambil rendah, jalur DOUT diambil tinggi dan SCLK terombang-ambing 40 kali. Garis CS kemudian diambil tinggi. Ini mencatat 40 '1 ke dalam ADT7320, mengatur ulang antarmuka serial. Penundaan setidaknya 500us diperlukan setelah bus SPI direset.

Blok kode berikutnya mengirimkan byte perintah ke ADT7320 yang memberitahukan apakah transaksi tersebut adalah Baca atau Tulis dan register mana yang akan dituju. Garis

data =0b00001000;

menginstruksikan ADT7320 untuk Menulis untuk mendaftarkan 0x01. ADT7320 kemudian diprogram untuk mengeluarkan data ke resolusi 16 bit menggunakan baris

data =0b10000000;

Garis DOUT dikondisikan sebelumnya ke '0', MSB dari byte data diinterogasi dan garis DOUT disetel tinggi jika MSB adalah '1'. Garis SCLK diambil tinggi untuk mencatat data ke dalam ADT7320.

void reset_adt7320(void)           /* inisialisasi ADT7320 */{     unsigned char, data; /* reset antarmuka serial */        clearbit(PORTA, CS); setbit(PORTA, DOUT); for(n=40; ​​n>0; n--)        {              clearbit(PORTA, SCLK); setbit(PORTA, SCLK); }        setbit(PORTA, CS); delay_10ms(); /* harus menunggu>500us setelah reset */            /* set ke mode 16 bit */        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); /* prekondisi DOUT */                   jika checkbit(data, (n-1))              {                    setbit(PORTA, DOUT); }                setbit(PORTA, SCLK); /* data jam masuk SCLK naik */        }        data =0b10000000; /* konversi berkelanjutan, 16 bit */        /* kirim byte data */        for(n=8; n>0; n--)        {              clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* prekondisi DOUT */                   jika checkbit(data, (n-1))              {                    setbit(PORTA, DOUT); }                setbit(PORTA, SCLK); }        setbit(PORTA, CS);}

Pemanggilan fungsi untuk mendapatkan data suhu serupa seperti pada gambar di bawah ini. Garis

data =0b01010000;

memberitahu ADT7320 untuk membaca register 2 untuk data 16 bit.

Kode kemudian menunggu setidaknya 240ms untuk ADT7320 untuk melakukan konversi suhu. 16 bit data suhu kemudian di-clock, kemudian jalur CS disetel tinggi.

     clearbit(PORTA, CS); /* data =byte perintah */    data =0b01010000; /* read mode, register 2 */       /* read ADT7320 */    for(n=8; n>0; n--)    {        clearbit(PORTA, SCLK); clearbit(PORTA, DOUT); /* prekondisi DOUT */                if checkbit(data, (n-1))           {                 setbit(PORTA, DOUT); }            setbit(PORTA, SCLK); }    delay_150ms(); /* konversi suhu */    delay_150ms(); /* membaca data suhu */    for(n=16; n>0; n--)    {         clearbit(PORTA, SCLK); if checkbit(PORTA, DIN)            {                 setbit(temp, (n-1)); }            setbit(PORTA, SCLK); }     setbit(PORTA, CS);

Kumpulan kode lengkap tersedia di sini.

Jadi, seberapa Dingin Sosis saya?

ADT7320 dibiarkan di dalam freezer selama sekitar 30 menit untuk melihat berapa suhu yang ditetapkan pada pembelian baru kami.

Gambar 3 menunjukkan suhu freezer menjadi -18,83°C.

Gambar 3. Suhu Freezer pada -18,83°C

Saya menganggap ini sangat akurat mengingat makanan tidak perlu disimpan ke tingkat presisi suhu ini. Saya kemudian mengukur suhu di kantor saya pada hari musim panas di Inggris. 22,87°C seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. 

Gambar 4. Suhu Kantor saya pada 22,87°C

Kesimpulan

Sensor suhu silikon telah berkembang pesat, menjadi sangat presisi, memungkinkan pemantauan tanda-tanda vital dicapai dengan tingkat akurasi yang tinggi. Sementara teknologi di dalamnya didasarkan pada prinsip-prinsip yang beralasan, pemangkasan yang diperlukan untuk membawanya ke tingkat akurasi sub-derajat membutuhkan upaya yang signifikan. Bahkan jika tingkat akurasi ini tercapai, tekanan mekanis dan penyolderan dapat dengan mudah menghapus perolehan yang diperoleh dari kalibrasi berjam-jam.

ADT7320 dan ADT7422 mewakili puncak karakterisasi selama bertahun-tahun untuk mencapai presisi tingkat sub-derajat bahkan setelah disolder ke PCB.

Referensi

Huijsing, Johan dan Michiel Pertijis. Sensor Suhu Presisi dalam Teknologi CMOS. Springer, 2006.
Horowitz, Paul dan Winfield Hill. Seni Elektronik . Cambridge University Press, April 2015.
Desain Sirkuit Analog, Volume 2, Bab 32. Teknologi Linier, Desember 2012.
Lembar data AD590. Analog Devices, Inc., Januari 2013.
lembar data ADT5912 (akan dirilis). Perangkat Analog, Inc.