Senzori i senzorikaSenzori i senzorika

Integrirani senzori temperatureIntegrirani senzori temperature

Tomislav DekovićTomislav Deković

SADRŽAJ:SADRŽAJ: 1.1. Mjerenje temperatureMjerenje temperature 5.5. Mjerenja temperature pomoću električnih veličinaMjerenja temperature pomoću električnih veličina 6.6. Svakodnevni primjeri električnog mjerenja temperatureSvakodnevni primjeri električnog mjerenja temperature 7.7. Električni pretvornici za mjerenje temperatureElektrični pretvornici za mjerenje temperature 8.8. Kontaktni temperaturni pretvorniciKontaktni temperaturni pretvornici 9.9. Poluvodički temperaturni pretvorniciPoluvodički temperaturni pretvornici10.10. Dioda kao temperaturni senzorDioda kao temperaturni senzor11.11. Tranzistor kao temperaturni senzorTranzistor kao temperaturni senzor17.17. Integrirani temperaturni senzoriIntegrirani temperaturni senzori18.18. Vanjski osjetniciVanjski osjetnici19.19. Unutarnji osjetniciUnutarnji osjetnici20.20. Karakteristike važne za izbor senzoraKarakteristike važne za izbor senzora21.21. Vrste sučelja integriranih senzoraVrste sučelja integriranih senzora22.22. Dodatne mogućnosti integriranih senzora temperatureDodatne mogućnosti integriranih senzora temperature23.23. Tipični primjeriTipični primjeri25.25. Praktični primjerPraktični primjer26.26. Princip radaPrincip rada27.27. ZaključakZaključak28.28. Daljnji razvoj integriranih senzoraDaljnji razvoj integriranih senzora29.29. Korištena literaturaKorištena literatura

Mjerenje temperatureMjerenje temperature Iako je temperatura jedan od najčešće mjerenih i Iako je temperatura jedan od najčešće mjerenih i

spominjanih podataka, vrlo je teško temperaturu spominjanih podataka, vrlo je teško temperaturu točno opisati i definirati kao veličinu. točno opisati i definirati kao veličinu.

Jedna od definicija temperature koja je Jedna od definicija temperature koja je prihvatljiva je ova: temperatura je mjera prihvatljiva je ova: temperatura je mjera zagrijanosti tijela, a toplina uvijek prelazi s tijela zagrijanosti tijela, a toplina uvijek prelazi s tijela više na tijelo niže temperature (II. zakon više na tijelo niže temperature (II. zakon termodinamike). termodinamike).

Iz ove definicije proizlazi i najčešće korišteni Iz ove definicije proizlazi i najčešće korišteni način mjerenja temperature nekog tijela, korišten način mjerenja temperature nekog tijela, korišten još od 1592. god. kad je Galileo Galilei još od 1592. god. kad je Galileo Galilei konstruirao prvi termometar na principu konstruirao prvi termometar na principu ekspanzije plinova. ekspanzije plinova.

Princip mjerenja temperaturePrincip mjerenja temperature Temperaturu nekog tijela ne možemo direktno očitati, Temperaturu nekog tijela ne možemo direktno očitati,

nego ga moramo dovesti u kontakt sa nekim drugim nego ga moramo dovesti u kontakt sa nekim drugim tijelom koje svoju temperaturu može pretvoriti u neku tijelom koje svoju temperaturu može pretvoriti u neku drugu mjerljivu veličinu (senzor temperature). drugu mjerljivu veličinu (senzor temperature).

Druga mogućnost je beskontaktno mjerenje temperature Druga mogućnost je beskontaktno mjerenje temperature koje radi na principu toplinskog zračenja.koje radi na principu toplinskog zračenja.

Promjena toplinskog stanja tijela senzora je popraćena Promjena toplinskog stanja tijela senzora je popraćena različitim efektima kao što je temperaturna dilatacija, različitim efektima kao što je temperaturna dilatacija, zračenje, termoelektricitet itd. Zbog popratnih efekata zračenje, termoelektricitet itd. Zbog popratnih efekata mijenjaju se određena fizikalna svojstva tijela koja mijenjaju se određena fizikalna svojstva tijela koja nazivamo termometarskim veličinama i njihovim nazivamo termometarskim veličinama i njihovim direktnim mjerenjem se dolazi do vrijednosti direktnim mjerenjem se dolazi do vrijednosti temperature. temperature.

Zaključak: temperaturu nije moguće mjeriti izravno, Zaključak: temperaturu nije moguće mjeriti izravno, samo posrednim putem preko termometarskih veličina samo posrednim putem preko termometarskih veličina koje su podložne direktnom mjerenju i imaju poznatu koje su podložne direktnom mjerenju i imaju poznatu funkcijsku vezu sa temperaturom y(x)=f(T).funkcijsku vezu sa temperaturom y(x)=f(T).

Poteškoće pri mjerenju temperaturePoteškoće pri mjerenju temperature Ovo nas dovodi i do jednog vrlo važnog ograničenja koje treba imati Ovo nas dovodi i do jednog vrlo važnog ograničenja koje treba imati

na umu kod mjerenja temperature: toplinski kapacitet termometra na umu kod mjerenja temperature: toplinski kapacitet termometra mora biti zanemariv u odnosu na toplinski kapacitet mjerenog tijela mora biti zanemariv u odnosu na toplinski kapacitet mjerenog tijela da bi se izbjegao utjecaj početne temperature termometra na da bi se izbjegao utjecaj početne temperature termometra na konačni rezultat.konačni rezultat.

Druga važna stvar na koju treba paziti prilikom mjerenja Druga važna stvar na koju treba paziti prilikom mjerenja temperature je vrijeme potrebno da osjetnik termometra poprimi temperature je vrijeme potrebno da osjetnik termometra poprimi temperaturu tijela koju želimo izmjeriti.temperaturu tijela koju želimo izmjeriti.

T [K]

t [s]

Značaj mjerenja temperatureZnačaj mjerenja temperature U sustavima automatskog upravljanja više od polovine svih mjerenja U sustavima automatskog upravljanja više od polovine svih mjerenja

otpada na temperaturu i protok, a kod upravljanja tehnološkim otpada na temperaturu i protok, a kod upravljanja tehnološkim objektima (elektrane, toplane, kemijska postrojenja...) mjerenje objektima (elektrane, toplane, kemijska postrojenja...) mjerenje temperature i protoka daje oko 80% mjerenih veličina. temperature i protoka daje oko 80% mjerenih veličina.

objekt objekt upravljanjaupravljanja temperaturatemperatura protokprotok nivonivo pritisakpritisak parametri parametri

materijalamaterijalaostale ostale veličineveličine

cijena cijena informacije informacije u % cijene u % cijene SAUSAU

elektraneelektrane 46,346,3 12,912,9 5,75,7 24,224,2 5,05,0 5,95,9 3333

kemijska kemijska postrojenjapostrojenja 41,041,0 13,613,6 12,612,6 20,320,3 2,92,9 9,69,6 3939

gradske toplanegradske toplane 69,069,0 2,02,0 2,72,7 8,88,8 2,82,8 14,714,7 99

poljoprivredni poljoprivredni objektiobjekti 16,716,7 10,510,5 16,216,2 3,23,2 5,55,5 47,947,9 3838

komadna komadna proizvodnjaproizvodnja 9,09,0 4,04,0 4,04,0 4,04,0 6,06,0 63,063,0 1010

Mjerenja temperature pomoću Mjerenja temperature pomoću električnih veličinaelektričnih veličina

Nas posebno zanimaju mjerenja temperature Nas posebno zanimaju mjerenja temperature koja se provode pomoću električnih veličina koja se provode pomoću električnih veličina zbog širokog spektara prednosti koje napredna zbog širokog spektara prednosti koje napredna elektronika donosi. Nakon što vrijednost elektronika donosi. Nakon što vrijednost temperature pretvorimo u električnu veličinu temperature pretvorimo u električnu veličinu relativno je jednostavno takav signal koristiti relativno je jednostavno takav signal koristiti ovisno o potrebama. ovisno o potrebama.

U slučaju mjerenja temperature samo za U slučaju mjerenja temperature samo za informativnu namjenu (da bi čovjek mogao informativnu namjenu (da bi čovjek mogao očitati temperaturu) jeftinije je i prirodnije koristiti očitati temperaturu) jeftinije je i prirodnije koristiti živin termometar.živin termometar.

Svakodnevni primjeri električnog Svakodnevni primjeri električnog mjerenja temperaturemjerenja temperature

S razvojem elektronike i računala mjerenje temperature S razvojem elektronike i računala mjerenje temperature je postalo funkcija koja se podrazumijeva za imalo je postalo funkcija koja se podrazumijeva za imalo zahtjevniji uređaj. zahtjevniji uređaj.

Primjer: kontroler punjenja ugrađen u Li-Ion baterijama.Primjer: kontroler punjenja ugrađen u Li-Ion baterijama. U prosječnom PC računalu postoji najmanje 6 U prosječnom PC računalu postoji najmanje 6

integriranih elektroničkih termometara (procesor, grafički integriranih elektroničkih termometara (procesor, grafički procesor, hard disk, chipset, southbridge i sustav procesor, hard disk, chipset, southbridge i sustav napajanja). napajanja).

Moglo bi se pronaći još bezbroj primjera mjerenja Moglo bi se pronaći još bezbroj primjera mjerenja temperature u svakodnevnom životu, a u sustavima temperature u svakodnevnom životu, a u sustavima automatskog upravljanja neke stvari je nemoguće automatskog upravljanja neke stvari je nemoguće zamisliti bez mjerenja temperature pomoću elektroničkog zamisliti bez mjerenja temperature pomoću elektroničkog termometarskog sustava.termometarskog sustava.

Električni pretvornici za mjerenje Električni pretvornici za mjerenje temperaturetemperature

Električni pretvornici za mjerenje temperature se Električni pretvornici za mjerenje temperature se prema principu prijenosa topline dijele na dvije prema principu prijenosa topline dijele na dvije skupine:skupine: Kontakni (vođenje topline)Kontakni (vođenje topline)

otpornički elementiotpornički elementi termistoritermistori termopartermopar poluvodički PN-spojpoluvodički PN-spoj

Beskontaktni (toplinsko zračenje)Beskontaktni (toplinsko zračenje) infracrveni termometarinfracrveni termometar piroelektrični termometarpiroelektrični termometar

Kontaktni temperaturni pretvorniciKontaktni temperaturni pretvornici S obzirom da nas u ovom radu zanimaju samo kontaktni S obzirom da nas u ovom radu zanimaju samo kontaktni

pretvornici, dobro je pogledati njihovu usporedbu:pretvornici, dobro je pogledati njihovu usporedbu:

svojstvo \ tip pretvorn.svojstvo \ tip pretvorn. POLUVODIČKIPOLUVODIČKI TERMOPARTERMOPAR Pt-OTPORNIČKIPt-OTPORNIČKI TERMISTORTERMISTOR

temp. područjetemp. područje -50 -50 ÷÷ 180 °C 180 °C -270 -270 ÷÷ 3500 °C 3500 °C -260-260 ÷÷ 1000 °C 1000 °C -80 -80 ÷÷ 180 °C 180 °C

točnost mjerenja točnost mjerenja apsolutne nuleapsolutne nule

srednjasrednja problematična problematična (referentni spoj)(referentni spoj)

visoka u širokom visoka u širokom područjupodručju

visoka u uskom visoka u uskom područjupodručju

točnost mjerenja točnost mjerenja malih temp. razlikamalih temp. razlika

srednjasrednja visokavisoka srednjasrednja srednjasrednja

pogodan za pogodan za integraciju na Si-chipintegraciju na Si-chip

dada dada ne u standardnom ne u standardnom procesuprocesu

ne u standardnom ne u standardnom procesuprocesu

osjetljivostosjetljivost visokavisoka(2 mV/K)(2 mV/K)

niskaniska(0.05 – 1 mV/K)(0.05 – 1 mV/K)

niskaniska(0.4 %/K)(0.4 %/K)

visokavisoka(5 %/K)(5 %/K)

linearnostlinearnost dobradobra dobradobra dobradobra vrlo nelinearnivrlo nelinearni

reprezentant reprezentant temperaturetemperature

naponnapon naponnapon otporotpor otporotpor

Poluvodički temperaturni pretvorniciPoluvodički temperaturni pretvornici U tehničkoj praksi vrlo se često koriste tri U tehničkoj praksi vrlo se često koriste tri

varijante poluvodičkih temperaturnih pretvornika:varijante poluvodičkih temperaturnih pretvornika: diodadioda tranzistortranzistor tranzistorska dioda (baza i kolektor tranzistora kratko tranzistorska dioda (baza i kolektor tranzistora kratko

spojeni)spojeni) Ovakvi pretvornici su vrlo pouzdani, imaju malu Ovakvi pretvornici su vrlo pouzdani, imaju malu

masu (i s njom mali toplinski kapacitet), baza im masu (i s njom mali toplinski kapacitet), baza im je silicij koji ima odličnu toplinsku vodljivost, lako je silicij koji ima odličnu toplinsku vodljivost, lako se ugrađuju, pogodni su za integraciju u Si-se ugrađuju, pogodni su za integraciju u Si-chipove, moguće je koristiti postojeće elemente chipove, moguće je koristiti postojeće elemente nekog elektroničkog sklopa za mjerenje nekog elektroničkog sklopa za mjerenje temperature.temperature.

Dioda kao temperaturni senzorDioda kao temperaturni senzor Elementarni poluvodički spoj sa samo jednim pn-spojem pokazuje Elementarni poluvodički spoj sa samo jednim pn-spojem pokazuje

dobru karakteristiku promjene napona elektroda u ovisnosti o dobru karakteristiku promjene napona elektroda u ovisnosti o temperaturi. U praksi se koriste direktna i inverzna karakteristika temperaturi. U praksi se koriste direktna i inverzna karakteristika diode, ali se preferira direktna karakteristika zbog veće stabilnosti i diode, ali se preferira direktna karakteristika zbog veće stabilnosti i mogućnosti mjerenja šireg temperaturnog opsega. Prednosti mogućnosti mjerenja šireg temperaturnog opsega. Prednosti diodnog pretvornika u odnosu na tranzistorski su jednostavnost, diodnog pretvornika u odnosu na tranzistorski su jednostavnost, manji gubici i brži odziv. Za potrebe mjerenja dioda se spaja u manji gubici i brži odziv. Za potrebe mjerenja dioda se spaja u mosni spoj (isti spoj se može koristiti i za tranzistorsku diodu):mosni spoj (isti spoj se može koristiti i za tranzistorsku diodu):

Tranzistor kao temperaturni senzorTranzistor kao temperaturni senzor Tranzistor se kao temperaturni senzor može koristiti u dva osnovna Tranzistor se kao temperaturni senzor može koristiti u dva osnovna

spoja. Prvi spoj koristi ovisnost inverzne struje Ispoja. Prvi spoj koristi ovisnost inverzne struje ICBCB inverzno inverzno polariziranog spoja kolektor-baza. Tipične vrijednosti ovih struja za polariziranog spoja kolektor-baza. Tipične vrijednosti ovih struja za Si tranzistore iznose oko 1 Si tranzistore iznose oko 1 μμA (za Ge tranzistore 100 A (za Ge tranzistore 100 μμA) na A) na temperaturi od 20 °C. Za porast temperature od 20 °C ove struje se temperaturi od 20 °C. Za porast temperature od 20 °C ove struje se udvostručavaju. Iako je ovisnost ovih struja o temperaturi vrlo udvostručavaju. Iako je ovisnost ovih struja o temperaturi vrlo linearna problem je pojačati tako male struje bez izobličavanja linearna problem je pojačati tako male struje bez izobličavanja signala, pa se ova karakteristika relativno rijetko koristi.signala, pa se ova karakteristika relativno rijetko koristi.

Znatno se češće primjenjuje ovisnost napona baza-emiter UZnatno se češće primjenjuje ovisnost napona baza-emiter UBEBE (pri (pri konstatnoj kolektorskoj struji Ikonstatnoj kolektorskoj struji ICC), koja je nelinearna ali se u vrlo ), koja je nelinearna ali se u vrlo širokom opsegu -270 °C do 200 °C može aproksimirati linearnom širokom opsegu -270 °C do 200 °C može aproksimirati linearnom funkcijom:funkcijom:

Tranzistor kao temperaturni senzorTranzistor kao temperaturni senzor

UUBEBE = k = k11 – k – k22TT kk11 = U = UBE(0)BE(0) = 1.27 V = konst. = 1.27 V = konst.kk22 = 2 = 2 ÷÷ 3 mV/°C – linearni temperaturni koeficijent napona baza- 3 mV/°C – linearni temperaturni koeficijent napona baza-emiteremiter

Za potrebe točnijih mjerenja može se koristiti formula:Za potrebe točnijih mjerenja može se koristiti formula:

S

C

S

CTBE I

Iq

kTIIUU lnln

k – Boltzmanova konstanta 1.38∙10k – Boltzmanova konstanta 1.38∙10-23 -23

T – temperatura [K]T – temperatura [K]q – naboj elektrona 1.6∙10q – naboj elektrona 1.6∙10-19-19 C CIICC – kolektorska struja – kolektorska strujaIISS – kolektorska struja zasićenja – kolektorska struja zasićenja

Tranzistor kao temperaturni senzorTranzistor kao temperaturni senzor Principijelna shema spoja:Principijelna shema spoja:

IICC – izvor konstatne struje – izvor konstatne strujeUUBEBE – napon baza-emiter – napon baza-emiter

Praktične izvedbe se razlikuju u mnogo detalja, ali na ovoj shemi je Praktične izvedbe se razlikuju u mnogo detalja, ali na ovoj shemi je najlakše uočiti princip rada senzora. Bitno je tranzistor postaviti u najlakše uočiti princip rada senzora. Bitno je tranzistor postaviti u željenu radnu točku koju reguliramo jakošću struje Iželjenu radnu točku koju reguliramo jakošću struje ICC, a koja mora biti , a koja mora biti vrlo stabilna i konstantna. Bitno je i da ta struja ne bude prevelika da vrlo stabilna i konstantna. Bitno je i da ta struja ne bude prevelika da ne bi došlo do efekta samozagrijavanja tranzistora (tipična vrijednost Ine bi došlo do efekta samozagrijavanja tranzistora (tipična vrijednost ICC = 0.1 mA).= 0.1 mA).

Ukupni temperaturni koeficijent iznosi -2 mV/K. Ukupna točnost je Ukupni temperaturni koeficijent iznosi -2 mV/K. Ukupna točnost je ±±3 3 mV uključujući nelinearnost koja je tipično unutar mV uključujući nelinearnost koja je tipično unutar ±±1 K u području 1 K u području -40 -40 ÷÷ 150 °C. 150 °C.

Prednosti i nedostaciPrednosti i nedostaci

Prednosti:Prednosti:niska cijenaniska cijenaujednačena kvaliteta (kontrolirani proces)ujednačena kvaliteta (kontrolirani proces)veliki temperaturni koeficijent (u odnosu na veliki temperaturni koeficijent (u odnosu na

termoparove i otporničke pretvornike)termoparove i otporničke pretvornike)linearniji od termoparova i otporničkih pretvornikalinearniji od termoparova i otporničkih pretvornikalako se integrira u monolitne temp. senzorelako se integrira u monolitne temp. senzore

Nedostaci:Nedostaci:UUBEBE varira od tranzistora do tranzistora varira od tranzistora do tranzistorareverzna struja zasićenja Ireverzna struja zasićenja ISS je temperaturno ovisna, je temperaturno ovisna,

varira sa Tvarira sa T33

Korekcija reverzne struje zasićenjaKorekcija reverzne struje zasićenja Da bi se korigirala temperaturna ovisnost reverzne struje IDa bi se korigirala temperaturna ovisnost reverzne struje ISS

o temperaturi koristi se modifikacija diferencijalnog o temperaturi koristi se modifikacija diferencijalnog pojačala kod kojega se efektom strujnog zrcala struja Ipojačala kod kojega se efektom strujnog zrcala struja ISS simulira u sekundarnom (zrcalnom) dijelu pojačala. Zbog simulira u sekundarnom (zrcalnom) dijelu pojačala. Zbog karakteristike diferencijalnog pojačala da pojačava samo karakteristike diferencijalnog pojačala da pojačava samo signal razlike između dviju strana neutralizirano je signal razlike između dviju strana neutralizirano je djelovanje varijacija reverzne struje.djelovanje varijacija reverzne struje.

Varijacije napona UVarijacije napona UBEBE

Pošto smo vidjeli kako se u praksi neutralizira djelovanje Pošto smo vidjeli kako se u praksi neutralizira djelovanje varijacija reverzne struje, bilo bi dobro analizirati utjecaj varijacija reverzne struje, bilo bi dobro analizirati utjecaj drugog nedostatka tranzistora kao temperaturnog drugog nedostatka tranzistora kao temperaturnog senzora: varijacije napona baza-emiter. Radi se o tome senzora: varijacije napona baza-emiter. Radi se o tome da je taj napon konstantan za određeni tranzistor, ali da je taj napon konstantan za određeni tranzistor, ali varira od jednog do drugog tranzistora. Sam napon Uvarira od jednog do drugog tranzistora. Sam napon UBEBE ovisi o više parametara, najviše o tehnologiji izrade i ovisi o više parametara, najviše o tehnologiji izrade i čistoći silicijevog substrata. Zbog toga razlika napona čistoći silicijevog substrata. Zbog toga razlika napona UUBEBE unutar iste serije chipova (na jednom waferu) unutar iste serije chipova (na jednom waferu) praktički ne postoji.praktički ne postoji.

Varijacije UVarijacije UBEBE utječu na tzv. “offset” – pomak stvarne utječu na tzv. “offset” – pomak stvarne nulte vrijednosti od očitane nule. Velika većina nulte vrijednosti od očitane nule. Velika većina integriranih temperaturnih senzora ima neki način integriranih temperaturnih senzora ima neki način namještanja offseta, tako da se senzor može postaviti sa namještanja offseta, tako da se senzor može postaviti sa samo jednim kalibriranjem.samo jednim kalibriranjem.

Integrirani temperaturni senzoriIntegrirani temperaturni senzori S razvojem elektronike temperaturni senzori sve više S razvojem elektronike temperaturni senzori sve više

ulaze u upotrebu. Napredak tehnologije izrade ulaze u upotrebu. Napredak tehnologije izrade integriranih krugova je omogućio jeftinu i brzu izradu integriranih krugova je omogućio jeftinu i brzu izradu integriranih senzora koji nisu samo osjetnici temperature, integriranih senzora koji nisu samo osjetnici temperature, nego su u njih integrirani sklopovi za pojačanje i nego su u njih integrirani sklopovi za pojačanje i prilagodbu signala, a ovisno o namjeni postoje razne prilagodbu signala, a ovisno o namjeni postoje razne dodatne mogućnosti prikaza izmjerenih rezultata, dodatne mogućnosti prikaza izmjerenih rezultata, komunikacije preko raznih standardnih sučelja i komunikacije preko raznih standardnih sučelja i izvršavanja predefiniranih radnji kad mjerena izvršavanja predefiniranih radnji kad mjerena temperatura dostigne zadanu vrijednost. temperatura dostigne zadanu vrijednost.

Principijelno je integrirane senzore temperature moguće Principijelno je integrirane senzore temperature moguće podijeliti prema namjeni, vrsti osjetnika, radnom podijeliti prema namjeni, vrsti osjetnika, radnom području, vrsti sučelja, obliku kućišta i prema položaju području, vrsti sučelja, obliku kućišta i prema položaju samog osjetnog elementa (unutarnji i vanjski).samog osjetnog elementa (unutarnji i vanjski).

Vanjski osjetniciVanjski osjetnici Iako se kod eksternih osjetnika postavlja pitanje da li se uopće radi Iako se kod eksternih osjetnika postavlja pitanje da li se uopće radi

o integriranom senzoru kad je osjetnik odvojen od prilagodnog i o integriranom senzoru kad je osjetnik odvojen od prilagodnog i upravljačkog sklopa ipak se ovakve mjerne pretvornike može upravljačkog sklopa ipak se ovakve mjerne pretvornike može svrstati u integrirane senzore. Na tržištu ima puno sklopova koji u svrstati u integrirane senzore. Na tržištu ima puno sklopova koji u sebi imaju integrirani osjetnik na silicijevom substratu, ali isto tako sebi imaju integrirani osjetnik na silicijevom substratu, ali isto tako imaju i predviđen priključak za eksterni osjetnik. imaju i predviđen priključak za eksterni osjetnik.

Eksterni osjetnik može također biti PN-spoj (najčešći slučaj), ali Eksterni osjetnik može također biti PN-spoj (najčešći slučaj), ali postoje izvedbe na koje je moguće spojiti termistor, termopar ili Pt-postoje izvedbe na koje je moguće spojiti termistor, termopar ili Pt-poluvodički osjetnik.poluvodički osjetnik.

Za sve eksterne osjetnike važe slična pravila što se tiče spajanja Za sve eksterne osjetnike važe slična pravila što se tiče spajanja osjetnika u odnosu na ostatak mjernog pretvornika. Za razliku od osjetnika u odnosu na ostatak mjernog pretvornika. Za razliku od internih osjetnika koji se u principu spajaju na neinvertirajući ulaz internih osjetnika koji se u principu spajaju na neinvertirajući ulaz pojačala, eksterne se spaja na invertirajući ulaz da bi se što više pojačala, eksterne se spaja na invertirajući ulaz da bi se što više eliminiralo šumove iz kabela. Obavezno se koriste oklopljeni kabeli, eliminiralo šumove iz kabela. Obavezno se koriste oklopljeni kabeli, uzemljenje i zaštita od elektrostatskih i elektromagnetskih šumova. uzemljenje i zaštita od elektrostatskih i elektromagnetskih šumova. Napredniji sklopovi imaju i mogućnost detekcije neispravnosti Napredniji sklopovi imaju i mogućnost detekcije neispravnosti vanjskog osjetnika.vanjskog osjetnika.

Unutarnji osjetniciUnutarnji osjetnici Unutarnji osjetnici su ipak češća opcija kod integriranih Unutarnji osjetnici su ipak češća opcija kod integriranih

senzora temperature. Zapravo je to i razumljivo ako senzora temperature. Zapravo je to i razumljivo ako uzmemo u obzir cijenu i dimenzije tipičnog integriranog uzmemo u obzir cijenu i dimenzije tipičnog integriranog senzora namjenjenog za eksterne namjene. Ovakvi senzora namjenjenog za eksterne namjene. Ovakvi integrirani sklopovi se proizvode u raznim kućištima, ali integrirani sklopovi se proizvode u raznim kućištima, ali posebno su zanimljiva kućišta slična tranzistorskim posebno su zanimljiva kućišta slična tranzistorskim (često sa tri izvoda) i mogućnošću spajanja vijkom (često sa tri izvoda) i mogućnošću spajanja vijkom izravno na tijelo čiju temperaturu mjerimo. Jednostavnost izravno na tijelo čiju temperaturu mjerimo. Jednostavnost i fleksibilnost ovakvih rješenja eliminira potrebu za i fleksibilnost ovakvih rješenja eliminira potrebu za vanjskim osjetnicima u većini slučajeva. vanjskim osjetnicima u većini slučajeva.

Sam poluvodički senzor je najčešće topološki postavljen Sam poluvodički senzor je najčešće topološki postavljen tako da se spajanjem mase senzora na mjereno tijelo tako da se spajanjem mase senzora na mjereno tijelo postiže minimalna toplinska impedancija, tako da se postiže minimalna toplinska impedancija, tako da se dobrim planiranjem tiskanih pločica ili spajanja senzora dobrim planiranjem tiskanih pločica ili spajanja senzora može postići dobar prijenos topline i minimalna razina može postići dobar prijenos topline i minimalna razina smetnji na ulazu.smetnji na ulazu.

Karakteristike važne za izbor Karakteristike važne za izbor senzorasenzora

Za izbor tipa integriranog senzora temperature važno je Za izbor tipa integriranog senzora temperature važno je znati karakteristike potrebne za funkcionalnost i znati karakteristike potrebne za funkcionalnost i jednostavnu implementaciju:jednostavnu implementaciju: radno temperaturno područjeradno temperaturno područje maksimalna i minimalna temperatura koju senzor može podnijeti maksimalna i minimalna temperatura koju senzor može podnijeti

bez kvarabez kvara napon napajanjanapon napajanja struja napajanja (radna i standby struja)struja napajanja (radna i standby struja) mogućnost korekcije offsetamogućnost korekcije offseta točnost mjerenjatočnost mjerenja preciznost (rezolucija) mjerenjapreciznost (rezolucija) mjerenja dvosmjerna komunikacijadvosmjerna komunikacija mogućnost detektiranja greškemogućnost detektiranja greške vrsta sučeljavrsta sučelja

Vrste sučelja integriranih senzoraVrste sučelja integriranih senzora

Integrirani temperaturni senzori nude širok raspon Integrirani temperaturni senzori nude širok raspon sučelja za izlazne (ili čak ulazno-izlazne) veličine:sučelja za izlazne (ili čak ulazno-izlazne) veličine: analogno sučelje (naponski izlaz)analogno sučelje (naponski izlaz) frekvencijski izlazfrekvencijski izlaz impedancijski izlaz (pogodan za NPV temperaturne zaštite)impedancijski izlaz (pogodan za NPV temperaturne zaštite) ramp-rate (izlazna vrijednost je iskazana konstantom ramp-rate (izlazna vrijednost je iskazana konstantom ττ = RC = RC)) duty-cycle (izlazna vrijednost je iskazana omjerom trajanja duty-cycle (izlazna vrijednost je iskazana omjerom trajanja

signala na izlazu)signala na izlazu) serijski izlaz (serijski prijenos podataka pomoću nekog od serijski izlaz (serijski prijenos podataka pomoću nekog od

standarda za serijska sučelja, npr. SPI, Istandarda za serijska sučelja, npr. SPI, I22C, SMBus, USB)C, SMBus, USB) logički izlaz (ne daje kvantificiranu izlaznu informaciju, nego logički izlaz (ne daje kvantificiranu izlaznu informaciju, nego

logički uključuje ili isključuje izlaz u ovisnosti izmjerene logički uključuje ili isključuje izlaz u ovisnosti izmjerene temperature o referentnim vrijednostima).temperature o referentnim vrijednostima).

Dodatne mogućnosti integriranih Dodatne mogućnosti integriranih senzora temperaturesenzora temperature

Osim standardnih mogućnosti koje nudi većina Osim standardnih mogućnosti koje nudi većina integriranih senzora moguće je odabrati i integriranih senzora moguće je odabrati i rješenja koja nude razne dodatne mogućnosti:rješenja koja nude razne dodatne mogućnosti: mogućnost spajanja dodatnog vanjskog osjetnikamogućnost spajanja dodatnog vanjskog osjetnika mogućnost programiranja donje i gornje granične mogućnost programiranja donje i gornje granične

temperature kod koje će se aktivirati “alarm” signaltemperature kod koje će se aktivirati “alarm” signal mogućnost registriranja (memorija) određenog broja mogućnost registriranja (memorija) određenog broja

zadnjih izmjerenih temperaturazadnjih izmjerenih temperatura mogućnost izravnog spajanja na standardni LCD mogućnost izravnog spajanja na standardni LCD

displaydisplay mogućnost mjerenja u određenim vremenskim mogućnost mjerenja u određenim vremenskim

intervalima (i uključenje standby moda u intervalima (i uključenje standby moda u međuvremenu – manja potrošnja energije)međuvremenu – manja potrošnja energije)

. . .. . .

Tipični primjeriTipični primjeriPrvi primjer je često korišten integrirani temperaturni senzor LM35.Prvi primjer je često korišten integrirani temperaturni senzor LM35. analogni naponski izlazanalogni naponski izlaz kalibriran izravno u °Ckalibriran izravno u °C linearni koeficijent +10.0 mV/°Clinearni koeficijent +10.0 mV/°C garantirana točnost 0.5 °C (pri sobnoj temperaturi)garantirana točnost 0.5 °C (pri sobnoj temperaturi) mjerno područje -55 mjerno područje -55 ÷÷ 150 °C 150 °C pogodan za eksternu upotrebu (kao vanjski osjetnik)pogodan za eksternu upotrebu (kao vanjski osjetnik) niska cijena (manje od 1$ za veće narudžbe)niska cijena (manje od 1$ za veće narudžbe) napajanje 4napajanje 4 ÷÷ 30 V 30 V struja curenja manja od 60 struja curenja manja od 60 μμAA nisko samozagrijavanje, 0.08 °C na mirnom zrakunisko samozagrijavanje, 0.08 °C na mirnom zraku prosječna nelinearnost prosječna nelinearnost ±±0.25 °C0.25 °C niska izlazna impedancija, 0.1 niska izlazna impedancija, 0.1 ΩΩ pri 1 mA pri 1 mA

Tipični primjeriTipični primjeriTMP 75TMP 75 registar sa 8 adresaregistar sa 8 adresa Two-Wire serijsko sučeljeTwo-Wire serijsko sučelje rezolucija 9 rezolucija 9 ÷÷ 12 bita, izbor korisnika 12 bita, izbor korisnika točnosttočnost

±± 1.5 °C za -25 1.5 °C za -25 ÷÷ 85 °C 85 °C±± 2.0 °C za -40 2.0 °C za -40 ÷÷ 125 °C 125 °C

napajanje 2.7 napajanje 2.7 ÷÷ 5.5 V 5.5 V SO-8 i MSOP-8 kućištaSO-8 i MSOP-8 kućištaMoguće namjene:Moguće namjene: nadzor temperature sustava napajanjanadzor temperature sustava napajanja temperaturna zaštita perifernih računalnih komponentitemperaturna zaštita perifernih računalnih komponenti mobilni uređajimobilni uređaji kontroleri Li-Ion baterijakontroleri Li-Ion baterija temperaturna zaštita uredske opremetemperaturna zaštita uredske opreme programabilni termostatiprogramabilni termostati

Praktični primjerPraktični primjer Da bi lakše shvatili prednosti integracije temperaturnih Da bi lakše shvatili prednosti integracije temperaturnih

senzora razmotrit ćemo primjer iz prakse (Texas senzora razmotrit ćemo primjer iz prakse (Texas Instruments-ov kompaktni digitalni termometar), koji je Instruments-ov kompaktni digitalni termometar), koji je sastavljen od svega 9 dijelova uključujući bateriju. sastavljen od svega 9 dijelova uključujući bateriju.

Ukupna cijena komponenata na maloprodajnom tržištu je Ukupna cijena komponenata na maloprodajnom tržištu je niža od 5 $, a proizvodna cijena za masovnu proizvodnju niža od 5 $, a proizvodna cijena za masovnu proizvodnju je niža od 1 $/kom. je niža od 1 $/kom.

Koristi se integrirani temperaturni senzor TMP100, Koristi se integrirani temperaturni senzor TMP100, mikrokontroler MSP430 i VI302 LCD display. Od mikrokontroler MSP430 i VI302 LCD display. Od pasivnih elektroničkih komponenti tu su još dva pasivnih elektroničkih komponenti tu su još dva otpornika, kondenzator i piezoelektrični oscilator. Sklop otpornika, kondenzator i piezoelektrični oscilator. Sklop se napaja iz kompaktne 3V baterije CR-2032 (slične se napaja iz kompaktne 3V baterije CR-2032 (slične onima iz ručnih satova), a praksa je pokazala da takva onima iz ručnih satova), a praksa je pokazala da takva baterija može napajati sklop preko 10 godina.baterija može napajati sklop preko 10 godina.

shema sklopa:shema sklopa:

Princip radaPrincip rada Temperaturni senzor sa mikrokontrolerom (dvosmjerno) Temperaturni senzor sa mikrokontrolerom (dvosmjerno)

komunicira preko Ikomunicira preko I22C sabirnice, a C sabirnice, a otpornici i kondenzator otpornici i kondenzator u sklopu služe samo za eliminaciju eventualnih šumova i u sklopu služe samo za eliminaciju eventualnih šumova i mogu biti izostavljeni bez većeg utjecaja na rad sklopa. mogu biti izostavljeni bez većeg utjecaja na rad sklopa. Piezoelektrični oscilator je potreban, jer on daje potreban Piezoelektrični oscilator je potreban, jer on daje potreban radni takt mikrokontroleru.radni takt mikrokontroleru.

U konfiguraciji prema danoj shemi termometar ima U konfiguraciji prema danoj shemi termometar ima mogućnost očitavanja u rezoluciji od 0.5 °C, ali mogućnost očitavanja u rezoluciji od 0.5 °C, ali modifikacijom je moguće očitavanje u višoj rezoluciji (do modifikacijom je moguće očitavanje u višoj rezoluciji (do 0.0625 °C). Sklop nije ograničen na TMP100 senzor, 0.0625 °C). Sklop nije ograničen na TMP100 senzor, moguće je koristiti bilo koji temp. senzor sa Imoguće je koristiti bilo koji temp. senzor sa I22C sučeljem.C sučeljem.

Koristeći radni takt koji mu daje oscilator, mikrokontroler Koristeći radni takt koji mu daje oscilator, mikrokontroler u intervalima od 6s šalje senzoru zahtjev za očitavanjem u intervalima od 6s šalje senzoru zahtjev za očitavanjem temperature, koju prikazuje na display-u i zatim šalje temperature, koju prikazuje na display-u i zatim šalje senzoru sleep instrukciju. U sleep modu senzor troši oko senzoru sleep instrukciju. U sleep modu senzor troši oko 0.1 0.1 μμA a kontroler oko 0.9 A a kontroler oko 0.9 μμA, što uz nisku potrošnju A, što uz nisku potrošnju LCD display-a garantira nisku potrošnju.LCD display-a garantira nisku potrošnju.

ZaključakZaključak Uz mogućnosti koje se pružaju integracijom Uz mogućnosti koje se pružaju integracijom

temperaturnih senzora i njihovu široku primjenu i temperaturnih senzora i njihovu široku primjenu i fleksibilnost moguće je vrlo jeftino i efikasno osmisliti fleksibilnost moguće je vrlo jeftino i efikasno osmisliti donedavno nezamisliva rješenja za nadzor ili kontrolu donedavno nezamisliva rješenja za nadzor ili kontrolu sustava pomoću temperaturnih parametara. Niske cijene sustava pomoću temperaturnih parametara. Niske cijene integriranih temperaturnih senzora, koji uz to imaju integriranih temperaturnih senzora, koji uz to imaju ogroman broj različitih izvedbi dovele su do toga da se u ogroman broj različitih izvedbi dovele su do toga da se u skoro sve napredne elektroničke uređaje (koji imaju skoro sve napredne elektroničke uređaje (koji imaju mikroprocesor) ugrađuju i temperaturni senzori, pa čak i mikroprocesor) ugrađuju i temperaturni senzori, pa čak i u ručne satove i mobilne uređaje.u ručne satove i mobilne uređaje.

Što se tiče industrijskih rješenja automatskog Što se tiče industrijskih rješenja automatskog upravljanja, u njima se već odavno koriste integrirani upravljanja, u njima se već odavno koriste integrirani temperaturni senzori jer je kod njih zbog potrebe za temperaturni senzori jer je kod njih zbog potrebe za nadzorom temperaturnih parametara puno ranije nadzorom temperaturnih parametara puno ranije dosegnut prag isplativosti. Zapravo se za “ozbiljnu” dosegnut prag isplativosti. Zapravo se za “ozbiljnu” primjenu više značaja daje pouzdanosti sustava nego primjenu više značaja daje pouzdanosti sustava nego njegovoj cijeni.njegovoj cijeni.

Daljnji razvoj integriranih senzoraDaljnji razvoj integriranih senzora

Integrirani temperaturni senzori se i dalje vrlo Integrirani temperaturni senzori se i dalje vrlo dinamično razvijaju što se tiče osnovnih dinamično razvijaju što se tiče osnovnih karakteristika (preciznosti, rezolucije, mjernog karakteristika (preciznosti, rezolucije, mjernog područja), ali sad je težište razvoja prebačeno područja), ali sad je težište razvoja prebačeno na minijaturizaciju, smanjenje potrošnje energije na minijaturizaciju, smanjenje potrošnje energije i razvoj novih sučelja za razmjenu podataka i i razvoj novih sučelja za razmjenu podataka i kontrolu senzora. Najnoviji trend je izravna kontrolu senzora. Najnoviji trend je izravna prilagodba integriranih temperaturnih senzora prilagodba integriranih temperaturnih senzora USB standardu, koja omogućuje jednostavnije i USB standardu, koja omogućuje jednostavnije i jeftinije projektiranje sustava za upravljanje i jeftinije projektiranje sustava za upravljanje i nadzor temperature pomoću osobnog računala.nadzor temperature pomoću osobnog računala.

Korištena literaturaKorištena literatura Tehnička enciklopedija, grupa autoraTehnička enciklopedija, grupa autora Senzori i merenja, dr. Mladen PopovićSenzori i merenja, dr. Mladen Popović www.wikipedia.comwww.wikipedia.com www.ti.comwww.ti.com www.philips.comwww.philips.com www.electronicproducts.comwww.electronicproducts.com www.analog.comwww.analog.com www.iis.fraunhofer.dewww.iis.fraunhofer.de www.electronicstalk.comwww.electronicstalk.com