실리콘 온도 센서로 정밀 측정 수행

전자 산업은 더 높은 수준의 정확도를 요구하고 있으며 온도 감지도 예외는 아닙니다. 각각의 장점과 단점이 있는 다양한 온도 감지 솔루션이 있습니다. 실리콘 온도 센서는 선형적이지만 다른 솔루션의 정확도를 제공한 적이 없습니다. 그러나 최근 실리콘 온도 감지의 발전으로 인해 이제 실리콘 솔루션으로 고해상도와 정밀도를 달성할 수 있습니다.

새로운 Freezer

2020년 3월이었고 영국은 막 락다운에 들어가려고 했습니다. 슈퍼마켓이 문을 닫을 경우를 대비하여 세계는 식량을 비축하고 있었고 미래는 불확실해 보였습니다. 그러자 Bramble 가정의 냉동고가 작동을 멈췄습니다. Kenny Rogers의 노래 "You Picked Fine Time to Leave Me…

며칠 후 Mrs Bramble이 원했던 것처럼 전면 패널에 디지털 온도 디스플레이가 장착된 새 냉동고가 도착했습니다. 권장 설정은 -18°C였으며 1시간 후 기기는 올바른 온도가 되어 음식을 받을 준비가 되었습니다. 나는 온도 판독값의 정확성에 회의적이었지만 음식을 얼리는 한 개의치 않았습니다. 그러나 한 가지 문제는 공학적 마음이 불안한 마음이라는 것입니다. 표면상 현명한 디지털 판독 값이 몇 일 동안 깜박이지 않고 나를 응시하고 자신감 있는 선언으로 감히 나를 쳐다본 후 나는 파산했습니다. 우리 주방에 새로 추가된 이 제품의 정확성 주장을 테스트해야 했습니다.

온도 센서

산업 응용 분야에 사용되는 다양한 온도 센서가 있으며 각각 장점과 단점이 있습니다. 많은 텍스트가 다양한 온도 센서의 작동에 대해 자세히 설명하므로 여기서 세부 사항을 반복하지 않고 아래에 요약을 제공합니다.

열전대

열전대는 매우 높은 온도를 측정할 수 있는 비교적 정확한 방법을 제공합니다. 그들은 1821년 Thomas Seebeck이 발견한 것처럼 서로 다른 온도에서 유지되는 서로 다른 금속으로 만들어진 두 접합 사이에서 생성되는 전압에 의존합니다. K-타입 열전대의 경우(Chromel 및 Alumel 합금으로 제작) 출력 전압은 약 41μV/°C이며 1000°C를 초과하는 온도를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 Seebeck 효과는 온도 차이에 의존합니다. 따라서 'hot' 접합은 관심 온도를 측정하지만 'cold' 접합은 알려진 온도에서 유지해야 합니다. 아이러니하게도 온도 차이를 측정하려면 냉접점에 또 다른 온도 센서가 필요하며 이를 위한 완벽한 솔루션을 제공하는 AD8494와 같은 부품이 필요합니다. 열전대는 물리적으로 작기 때문에 열 질량이 작아 온도 변화에 빠르게 반응합니다.

RTD

적당한 온도(<500°C)를 측정하기 위해 저항 온도 감지기(RTD)가 업계에서 널리 사용됩니다. 이러한 장치는 온도에 따라 양의 저항 변화를 나타내는 금속 요소로 구성되며 가장 일반적으로 백금입니다. 실제로 PT-100 센서는 업계에서 가장 널리 사용되는 RTD이며 PT(백금)로 만들어지고 0°C에서 100Ω의 저항을 갖는 데서 그 이름을 얻었습니다. 이러한 장치는 열전대의 고온을 측정하지 않지만 선형성이 높고 판독이 반복 가능합니다. PT100은 온도에 비례하는 센서 전체에 정확한 전압 강하를 생성하는 정밀한 구동 전류가 필요합니다. PT100 연결 와이어의 저항은 센서의 저항 측정에 오류를 생성하므로 켈빈 감지가 일반적이며 결과적으로 3선 또는 4선 센서가 됩니다.

서미스터

저비용 솔루션이 필요하고 온도 범위가 낮으면 서미스터로 충분합니다. 이 장치는 Steinhart Hart 방정식을 기반으로 하는 특성으로 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 매우 비선형적입니다. 써미스터의 장점은 작은 온도 변화에도 저항 변화가 크기 때문에 비선형성에도 불구하고 높은 정확도를 얻을 수 있다는 것입니다. 서미스터는 또한 빠른 열 응답을 특징으로 합니다. 개별 서미스터 비선형성이 잘 정의되어 있으므로 LTC2986과 같은 구성 요소를 사용하여 보정할 수 있습니다.

다이오드, 다이오드가 어디에나 있지만 (Vbe) 싱크로 떨어지는 것은 아닙니다...

마지막으로 새로운 가족 구성원의 정확성을 테스트하기 위해 실리콘 온도 센서를 선택했습니다. 바로 작동하고 냉접점 온도 보상이나 선형화가 필요하지 않으며 아날로그 및 디지털 출력과 함께 사용할 수 있으며 사전 보정된 상태로 제공됩니다. . 그러나 최근까지 그들은 중간 정도의 정확도만을 제공했습니다. 전자 장비의 상태를 나타내는 데는 충분하지만 체온을 측정할 만큼 정확하지는 않으며 일반적으로 ±0.1°C의 정확도가 필요합니다(ASTM E1112 표준에 따름). 이는 각각 ±0.1°C 및 ±0.2°C의 분해능으로 측정할 수 있는 ADT7422 및 ADT7320 실리콘 온도 센서의 최근 출시로 변경되었습니다.

실리콘 온도 센서는 트랜지스터의 Vbe 온도 의존성을 이용합니다. , Ebers Moll 방정식에 의해 다음과 같이 근사됩니다.

여기서 I 컬렉터 전류, Is 트랜지스터의 역 포화 전류, q 전자의 전하입니다(1.602 x 10 ^-19 쿨롱), k 는 볼츠만 상수(1.38 x 10 ^-23 ) ) 및 T 절대 온도입니다.

컬렉터 전류에 대한 위의 식은 다이오드의 전류에도 적용됩니다. 그렇다면 모든 애플리케이션 회로는 다이오드가 아닌 트랜지스터를 사용하는 이유는 무엇입니까? 실제로 다이오드의 전류에는 전자가 pn 접합의 공핍 영역을 통과할 때 정공과 재결합하여 발생하는 재결합 전류도 포함되며 이는 Vbe와 함께 다이오드 전류의 비선형성을 나타냅니다. 그리고 온도. 이 전류는 바이폴라 트랜지스터에서도 나타나지만 트랜지스터의 베이스로 흐르므로 컬렉터 전류에는 나타나지 않으므로 비선형성이 훨씬 적습니다.

위의 내용을 재정렬하면

인가 Ic에 비해 작습니다. , 그래서 우리는 '1'을 무시할 수 있습니다. 위 방정식의 항. 이제 Vbe Ic의 대수 변화에 따라 선형적으로 변합니다. . Ic 그리고 인가 Vbe k 이후로 온도에 따라 선형적으로 변합니다. 및 q 도 일정합니다. 일정한 컬렉터 전류를 트랜지스터에 강제로 적용하고 Vbe 온도에 따른 변화

인가 트랜지스터의 기하학적 구조와 관련이 있으며 온도에 대한 의존도가 높습니다. 많은 실리콘 장치와 마찬가지로 그 가치는 온도가 10°C 상승할 때마다 두 배가 됩니다. 이러한 전류 변화의 효과는 'ln'만큼 감소합니다. 함수는 여전히 Vbe의 절대값이 트랜지스터에서 트랜지스터로 변경하므로 보정이 필요합니다. 따라서 실용적인 실리콘 온도 센서는 두 개의 동일한 트랜지스터를 사용하고 Ic의 콜렉터 전류를 강제합니다. 1과 10Ic으로 다른쪽으로. 동일한 트랜지스터와 비율적으로 정확한 전류는 집적 회로에서 제작하기 쉽기 때문에 대부분의 실리콘 센서가 이 아키텍처를 사용합니다. 전류의 대수 변화는 Vbe의 선형 변화를 일으킵니다. Vbe의 차이점 's가 측정됩니다.

위의 방정식에서 동일한 온도로 유지된 두 개의 트랜지스터에 대해 , Vbe의 차이점 는

에 의해 주어집니다.

이후

우리는 그것을 볼 수 있습니다

각 트랜지스터를 통해 서로 다른 전류를 흐르게 하고 Vbe의 차이를 측정함으로써 , 비선형 다음을 제거했습니다. 용어, 다른 절대 Vbe의 효과 및 트랜지스터의 기하학과 관련된 다른 모든 비선형 효과. k 이후로 , q 그리고 ln 10은 모두 일정하며 Vbe의 변화 절대 온도에 비례(PTAT)입니다. 전류의 10배 차이에 대해 두 Vbe의 차이 의 온도는 약 198μV/°C에서 선형적으로 변화합니다. 이를 달성하기 위한 단순화된 회로가 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1. 온도 측정을 위한 기본 회로.

그림 1의 전류는 신중하게 선택해야 합니다. 전류가 너무 높으면 트랜지스터 내부의 내부 저항에 걸친 상당한 자체 발열 및 전압 강하로 인해 결과가 손상됩니다. 전류가 너무 낮으면 트랜지스터 내부의 누설 전류가 심각한 오류를 추가합니다.

또한 위의 방정식은 수집기 트랜지스터의 전류인 반면 그림 1은 일정한 이미터를 보여줍니다. 트랜지스터에 주입되는 전류. 트랜지스터는 컬렉터 대 이미 터 전류 비율이 잘 설정되고 1에 가깝도록 설계될 수 있으므로 컬렉터 전류는 이미 터 전류에 비례합니다.

이것은 이야기의 시작일 뿐입니다. 실리콘 온도 센서로 ±0.1°C 정확도를 얻으려면 광범위한 특성화 및 트리밍을 수행해야 합니다.

새인가요? 비행기인가요?

아니요, 슈퍼 온도계입니다. 예, 그들은 존재합니다. 보정되지 않은 실리콘 온도 센서는 실리콘 오일로 채워진 욕조에 넣고 슈퍼 온도계로 측정한 정확한 온도로 가열해야 합니다. 이러한 장치는 소수점 이하 다섯 자리보다 더 나은 정확도로 측정할 수 있습니다. 센서 내부의 퓨즈를 끊어 온도 센서의 이득을 조정하고 y =mx + C 방정식을 사용하여 출력을 선형화합니다. . 실리콘 오일은 매우 균일한 온도를 제공하므로 단일 사이클에서 많은 장치를 보정할 수 있습니다.

ADT7422는 25°C ~ 50°C의 온도 범위에서 ±0.1°C의 정확도를 제공합니다. 이 온도 범위는 38°C의 일반적인 인체 온도를 중심으로 하므로 ADT7422는 정확한 바이탈 사인 모니터링에 이상적입니다. 산업용 애플리케이션의 경우 ADT7320은 트리밍되어 ±0.2°C의 정확도를 갖지만 -10°C ~ +85°C의 더 넓은 온도 범위에 걸쳐 있습니다.

그림 2. 0.8mm 두께의 PCB에 실장된 ADT7422

그러나 실리콘 온도 센서의 교정이 유일한 문제는 아닙니다. 매우 정밀한 전압 레퍼런스와 마찬가지로 다이에 가해지는 스트레스는 센서의 정확도를 손상시킬 수 있으며 PCB의 열 팽창, 리드 프레임, 플라스틱 몰딩 및 노출된 패드를 모두 고려해야 합니다. 납땜 프로세스는 또한 자체 문제를 추가합니다. 솔더 리플로우 공정은 부품의 온도를 260°C로 증가시켜 플라스틱 포장이 부드러워지고 다이의 리드 프레임이 왜곡되어 부품이 냉각되고 플라스틱이 경화될 때 기계적 응력이 다이에 고정됩니다. Analog Devices의 엔지니어는 0.8mm의 PCB 두께가 완벽한 스위트 스폿이고 납땜 후에도 ±0.1°C 정확도를 달성할 수 있다는 것을 발견하기 위해 수개월에 걸친 섬세한 실험을 했습니다.

소프트웨어 내부

시스템 소프트웨어의 대부분은 ADT7320의 데이터를 포맷하고 LCD에 표시하는 것과 관련이 있습니다. ADT7320에서 데이터를 가져오는 것은 간단합니다. 프로세서가 초기화될 때 CS 및 SCLK 라인은 모두 하이로 설정되고 SCLK 라인은 변환 사이에 하이로 유휴됩니다. 그런 다음 CS 라인은 데이터 트랜잭션을 시작하기 위해 로우로 설정됩니다. SPI를 사용하면 SCLK 라인의 상승 에지에서 ADT7320으로 데이터를 읽고 하강 에지에서 데이터를 읽습니다. 아래 코드는 초기화 루틴을 자세히 설명합니다.

직렬 인터페이스를 재설정하기 위해 CS 라인은 로우, DOUT 라인은 하이, SCLK는 40번 발진됩니다. 그런 다음 CS 라인이 하이가 됩니다. 이것은 40 '1을 ADT7320에 클럭하여 직렬 인터페이스를 재설정합니다. SPI 버스가 재설정된 후 최소 500us의 지연이 필요합니다.

다음 코드 블록은 명령 바이트를 ADT7320에 전송하여 트랜잭션이 읽기인지 쓰기인지 그리고 주소를 지정할 레지스터를 알려줍니다. 라인

데이터 =0b00001000;

레지스터 0x01에 쓰도록 ADT7320에 지시합니다. 그런 다음 ADT7320은 다음 라인을 사용하여 데이터를 16비트 해상도로 출력하도록 프로그래밍됩니다.

데이터 =0b10000000;

DOUT 라인은 '0'으로 사전 조정되고, 데이터 바이트의 MSB는 조사되며 MSB가 '1'이면 DOUT 라인은 하이로 설정됩니다. SCLK 라인은 데이터를 ADT7320으로 클럭하기 위해 하이로 취해집니다.

void reset_adt7320(void) /* ADT7320 초기화 */{ unsigned char n, data; /* 직렬 인터페이스 재설정 */ clearbit(PORTA, CS); 세트비트(PORTA, DOUT); for(n=40, n>0, n--) { clearbit(PORTA, SCLK); 세트비트(PORTA, SCLK); } setbit(PORTA, CS); 지연_10ms(); /* 재설정 후>500us를 기다려야 함 */ /* 16비트 모드로 설정 */ clearbit(PORTA, CS); 데이터 =0b00001000; /* clear bit 6(write), reg #001 */ /* send command byte */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); 클리어비트(PORTA, DOUT); /* DOUT 전제조건 */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); /* 상승하는 SCLK의 클록 데이터 */ } data =0b10000000; /* 연속 변환, 16비트 */ /* 데이터 바이트 전송 */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); 클리어비트(PORTA, DOUT); /* DOUT 전제조건 */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); } setbit(PORTA, CS);}

온도 데이터를 얻기 위한 함수 호출은 아래와 유사합니다. 라인

데이터 =0b01010000;

ADT7320에게 16비트 데이터의 레지스터 2를 읽도록 지시합니다.

그런 다음 코드는 ADT7320이 온도 변환을 수행할 때까지 최소 240ms 동안 기다립니다. 그런 다음 16비트의 온도 데이터가 클록아웃되고 CS 라인이 하이로 설정됩니다.

 clearbit(PORTA, CS); /* 데이터 =명령 바이트 */ 데이터 =0b01010000; /* 읽기 모드, 레지스터 2 */ /* ADT7320 읽기 */ for(n=8; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); 클리어비트(PORTA, DOUT); /* 전제조건 DOUT */ if checkbit(data, (n-1)) { setbit(PORTA, DOUT); } setbit(PORTA, SCLK); } delay_150ms(); /* 온도 변환 */ delay_150ms(); /* 온도 데이터 읽기 */ for(n=16; n>0; n--) { clearbit(PORTA, SCLK); if checkbit(PORTA, DIN) { setbit(temp, (n-1)); } setbit(PORTA, SCLK); } setbit(PORTA, CS);

전체 코드 세트는 여기에서 볼 수 있습니다.

그래서 내 소시지는 정확히 얼마나 차갑습니까?

ADT7320을 냉동실에 약 30분 정도 두어 새로 구입한 온도가 어떻게 되는지 확인했습니다.

그림 3은 냉동실 온도가 -18.83°C임을 보여줍니다.

그림 3. -18.83°C에서 냉동고의 온도

식품을 이 수준의 온도 정밀도로 저장할 필요가 없다는 점을 감안할 때 이것이 인상적으로 정확하다고 생각했습니다. 그런 다음 영국의 여름날 사무실에서 온도를 측정했습니다. 그림 4와 같이 22.87°C.

그림 4. 사무실 온도 22.87°C

결론

실리콘 온도 센서는 매우 정밀해지면서 높은 수준의 정확도로 생체 신호 모니터링을 수행할 수 있게 되었습니다. 내부의 기술은 잘 기반된 원칙을 기반으로 하지만 하위 수준의 정확도 수준으로 만드는 데 필요한 트리밍에는 상당한 노력이 필요합니다. 이러한 수준의 정확도를 달성하더라도 기계적 스트레스와 납땜으로 인해 몇 시간 동안 교정을 통해 얻은 이득이 쉽게 지워질 수 있습니다.

ADT7320 및 ADT7422는 PCB에 납땜된 후에도 하위 수준의 정밀도를 달성하기 위해 수년간 특성화의 정점을 나타냅니다.

참조

Huijsing, Johan 및 Michiel Pertijis. CMOS 기술의 정밀 온도 센서. Springer, 2006.
Horowitz, Paul 및 Winfield Hill. 전자공학의 예술 . Cambridge University Press, 2015년 4월.
아날로그 회로 설계, 2권, 32장. Linear Technology, 2012년 12월.
AD590 데이터시트. Analog Devices, Inc., 2013년 1월.
ADT5912 데이터 시트(출시 예정). Analog Devices, Inc.