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Sensores MicroeletrônicosIE012

Principais características dos sensores

Professor Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano/IE012/IE012_Unicamp.htm

IE 012 2

Referências• S. Middelhoek, Celebration of the tenth

transducers conference: The past, present and future of transducer research and development, Sensors and Actuators A, 82, pp. 2-23, 2000.

• A. D´Amico and C. Di Natale, A contribution on some basic definitions of sensors properties, IEEE Sensors Journal, vol I, n. 3, October 2001

• S. M. Sze, Semiconductor Sensors

• Freescale Sensor Device Data, www.freescale.com

2

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Definições: transdutores, sensores e atuadores

• Transdutor– Converte um sinal ou estímulo, dado por uma grandeza

física em um dado domínio em um sinal em outro domínio.

• Sensor– Converte um sinal geralmente pertencente a um dos

domínios: elétrico, magnético, radiante, químico e mecânico em um sinal em outro domínio (geralmente elétrico).

– Normalmente estão localizados na entrada de um sistema de medidas.

• Atuador– Converte um sinal (geralmente elétrico) em um sinal em

outro domínio.– Normalmente estão localizados na saída de um sistema de

medidas ou controle.

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Definições sensor ativo e passivo

• Sensor ativo ou modulante– Além da energia inerente do sinal aplicado à entrada,

requerem uma fonte externa de energia (polarização).

• Sensor passivo ou de auto-geração– Não requeremnenhuma fonte externa além da energia

inerente do sinal aplicado à entrada.

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INPUT (SIGNAL) SENSOR ACTIVE/PASSIVE OUTPUT

Temperature

Thermocouple Passive Voltage

Silicon (Junction)

Active Voltage/Current

Thermistor Active Resistance

Force/Pressure

Strain Gage Active Resistance

Piezoelectric Passive Voltage

Acceleration Accelerometer

(capacitive)

Active AC Voltage/Current

Position LVDT* Active AC Voltage

Light Intensity Photodiode Active/Passive Current

Typical sensor examples

*Linear Variable Differential Transformer

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Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/LVDT.png

Sensor de posiçãoLVDT

Sensor ativo

Sensor de pressãoPiezoelétrico

Sensor passivo

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/SchemaPiezo.gif

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Evolução dos sensores semicondutores(MEMS)

Fonte: Roger Grace, Patric Salomon, MST News 2002

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Evolução dos sensores semicondutores

• Fase da descoberta (1954 – 1960)– 1954, Smith descobre e formaliza o efeito da

piezoresistência no silício e germânio

– 1958, primeira aplicação industrial

Estudo de caso: sensores de pressão

Fonte: Sze

5

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Fase do desenvolvimento tecnológico básico (1960- 1975)

- redução do tamanho

- início da comercialização

Fonte: Sze

IE 012 10

Fase do processamento em escala

(1975-1980)

- Produção em quantidade (wafer)

- Redução do custo e tamanho

- Expansão das aplicações práticas

Fonte: Sze

6

IE 012 11

Fase da micromáquinas – MEMS

(1980-2000)

- Construção de micro-estruturas mecânicas no mesmo substrato (integração monolítica)

- Novas possibilidades

Fonte: Sze

IE 012 12

Fase dos sensores sem-fio - wireless sensors

(2000-atual)

- Mobilidade

- Baixo consumo de energia

- Sensor como parte de um sistema inteligente

7

IE 012

Aplicações atuais de sensores de pressão MEMS13

Fonte: Yole dévelopment - MEMS Pressure Sensor 2013

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Características Estáticas dos Sensores (a)

• Função de Transferência ou Curva de Resposta

• Sensibilidade

• Linearidade

• Saturação

• Full Scale Output(FSO)

• Full Scale Span (FSS) ou Otput Span Range

• Full Scale Input (FSI) ou Fundo de Escala de Entrada ou Input Span Range

• Offset

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IE 012 15

Características Estáticas dos Sensores (b)

• Resolução

• Seletividade

• Estabilidade (Deriva)*

• Exatidão

• Precisão

• Histerese

• Zona Morta

• Formato de Saída• Impedâncias de Entrada e

Saída• Característica de

sobrecarga*

* Incluem alguns aspectos de características dinâmicas

IE 012 16

Características dinâmicas dos Sensores

• Velocidade de resposta

• Tempo de aquecimento

• Característica de sobrecarga

• Tempo de recuperação

• Tempo de vida útil

As características dinâmicas dependem da ordem do sistema que modela o comportamento do sensor

9

IE 012

Entradas adicionais17

• Entradas de Interferência (Y)– São aquelas na qual o sensor responde

superpostas a variável medida X

• Entradas Modificantes (Z)– São aquelas que alteram as características do

sensor, afetando sua curva de calibração

Fonte: Intelligent Sensor Systems, Ricardo Gutierrez-Osuna, Wright State University

IE 012 18

Diagrama de um sistema sensor considerando entrada única

Exemplos de sinais (S): Potencial, Corrente, Carga ou Resistividade:

I0

I

I0

0

I I

I

−

corrente corrente relativa variação relativa da corrente

Medida Sinal Sinal Convertido

10

IE 012 19

Estudo de caso: Sensor de pressão, Fonte: Freescale Sensor Device Data

Fonte: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPXx5050

IE 012

Estudo de caso – sensor de pressão20

Fonte: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5050.pdf

Diagrama:

Invólucro:

11

IE 012 21

Função de transferênciaFunção que estabelece a dependência entre o sinal S, produzido pelo sensor, e a variável de entrada ou estímulo x:

S=f(x)

Linear S=a+bx

Logarítmica S=a+b ln x

Exponencial S=a ekx

Função de potência S=a0+a1xk + ...

(k é uma constante)

IE 012

Estudo de caso – Função de Transferência22

Fonte: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5050.pdf

12

IE 012 23

Função de transferência

Observações:• Em casos particulares a Função de Transferência também pode ser dada por um gráfico S versus x

• Em casos especiais, em que os sensores são calibrados individualmente, a Função de Transferência pode estar no formato de uma curva de calibração certificada

IE 012 24

Full Scale Span (FSS) or Output Range

FSS é a diferença algébrica entre o valor da saída para o mínimo e máximo sinais aplicados à entrada do sensor.

FSS

S

x

13

IE 012 25

Full Scale Output (FSO)FSO é o máximo valor da saída para o máximo sinal de entrada

FSS

FSOS

x

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Offset

Saída do sensor com sinal de entrada nula

S

x

14

IE 012 27

Full Scale Input (FSI) or Input Range

Definido pelos limites superior e inferior dosvalores de medida na entrada, tambémchamado de InputSPAN Range ou DynamicRange.

FSI

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Sensibilidade

• Infinitesimal

• Finita

• Total

P.O.

S

dx

∂

Intervalo

S

x

∆∆

S

x

15

IE 012 29

Linearidade (não-linearidade)

Máximo desvio entre a curva de calibração e uma linha reta especificada. A definição do tipo de linearidade depende de como a reta é considerada.– Linearidade independente (mínimos quadrados*)

– Zero-based linearity (mínimos quadrados*)

– End-points linearity

– Linearidade teórica

* O ajuste da reta é feita pelo método dos mínimos quadrados

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Linearidade

• Linearidade independente

• Linearidade baseada no zero

• Linearidade de pontos finais(End-points linearity)

• Linearidade Teórica

16

IE 012 31

Medidas de linearidade

Fonte: Motorola sensor Devive Data

B=FSS

A

Não-linearidade independente

100%A

B×

IE 012 32

Saturação

17

IE 012

Estudo de caso – Saturação33

Fonte: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5050.pdf

IE 012 34

Caso prático: sistema sensor de temperatura

I

R 1V2V

A

Quem é o sensor de temperatura?

18

IE 012 35

Caso prático: sistema sensor de temperatura

• A resistência R(T) é usada para medir a variável temperatura

• R, I e A são todos dependentes da temperatura T, e da luminosidade λ

I

R 1V2V

A

Fonte: Arnaldo D´Amico and Corrado Di Natale, A contribution on Some Basic Definitions of Sensors Properties,, IEEE Sensors Journal Vol 1 nº3October 2001

1) Calcule literalmente a sensibilidade total, incluindo efeitos cruzados.2) Simplifique desprezando o efeito da luminosidade.3) Simplifique desprezando os efeitos térmicos na fonte de corrente

e no amplificador operacional.

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ResoluçãoÉ dada pela mínima alteração na variável deentrada necessária para produzir umamudança detectável na saída.

• A resolução de um sensor (com saídaanalógica) geralmente é limitada peladistribuição espectral do ruído.

• A resolução de um sensor (com saídadigital) geralmente é dada pelo bit menossignificativo (LSB)

19

IE 012 37

Ruído

• Todo sensor possui intrinsecamente algum ruído adicionado ao sinal de saída.

• Geralmente o ruído é distribuído no espectro da frequência

– Ruído branco (Johnson e Shot)

– 1/f, pop corn, etc

V/ Hz

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Seletividade

É dada pela habilidade do sensor medir seletivamente uma variável de entrada na presença de outras.

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IE 012 39

Coeficientes de temperatura• offset • sensibilidade

Fonte: Motorola sensor Devive Data

IE 012 40

Drift (Deriva)• Variação ao longo do tempo que

normalmente se dá por alterações, quase sempre irreversíveis, nas propriedades elétricas, mecânicas ou químicas de um sensor.– A deriva pode ser de curto ou longo prazo.– Sua origem pode ser relacionada com

acomodações do material do sensor (estresse mecânico, processo lento de difusão residual etc)

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IE 012 41

Estabilidade

A habilidade de um sensor manter seudesempenho dentro de determinadascaracterísticas por um certo período detempo. É representado em % da FSS.

IE 012 42

Accuracy(exatidão)

Inaccuracy(inexatidão) é medida como o maiordesvio entre o valor representado na saída dosensor e o valor real ou verdadeiro aplicado emsua entrada.

OBS: Pode ser informada em valores absolutos dorange (ex: 0,5 K ) ou também em porcentagem daFSS (ex: 5% da FSS).

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IE 012 43

Função de transferência e limites de inaccuracy

Fonte: Jacob

IE 012 44

Precisão

É a capacidade do sistema de medida em repetir a mesma leitura mantendo certas condições (principalmente ambientais). A precisão não considera a coincidência entre o resultado e o verdadeiro valor da medida.

OBS: Pode ser quantificada estatisticamente pelo desvio padrão

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IE 012

Precisão e extatidão45

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Accuracy_and_precision.svg

IE 012 46

Considerações sobre precisão e exatidão

Precisão Exatidão

Fonte: Intelligent Sensor Systems, Ricardo Gutierrez-Osuna, Wright State University

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IE 012

Repetibilidade, precisão e reprodutibilidade

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RepetibilidadeCondição

Precisão Condição

Reprodutibilidade Condição

Laboratório Mesmo Mesmo Diferente

Operador Mesmo Diferente Diferente

Aparato Mesmo Mesmoa Diferente

Tempo entre testes

CurtobDentro de um certo limite, conforme especificação do aparato

Não especificado

a Pode ser aplicado para diferentes aparatos/instrumentos que possuem as mesmasespecificações.

b Padrões do método de teste tipicamente não excedem um dia

Fonte: http://www.astm.org/SNEWS/MA_2009/datapoints_ma09.html

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Exemplos de precisão vs. exatidão

exatidão boa precisão pobre

exatidão pobreprecisão boa

exatidão boaprecisão boa

Fonte: Mark Madou

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IE 012 49

Considerações sobre erros (sistemático e randômico)

IE 012 50

Erro de calibraçãoErro de natureza sistemática normalmenteintroduzido quando o sensor é calibrado nafabricação.

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IE 012 51

Erro RandômicoErro de natureza randômica afetam a precisão erefletem no número de dígitos significativos deuma medida.

IE 012 52

Histerese

Diferença máxima na saída dentro do rangede medida levando em consideração os doiscaminhos determinados pelo incremento epelo decremento da medida.

A histerese é normalmente expressa emporcentagem do FSS durante um ciclo decalibração.

27

IE 012 53

Função de transferência com histerese

100%FSO

h ×FSS

IE 012 54

Zona morta

28

IE 012 55

Formato de saída

• Saída analógica (função contínua da variável de entrada) ex: tensão, corrente

• Saída em frequência (número de ciclos ou pulsos como função da variável de entrada ex: PWM)

• Saída em frequência modulada (frequência desviada de uma freqüência central)

• Saída digital (quantização ex: código binário)

IE 012 56

Impedância de entrada/saída

Sensor com saída em tensão Sensor com saída em corrente

Zout Zin

Vs

VZout ZinIs

I

29

IE 012 57

Velocidade ou Tempo de resposta

Todo sensor tem um tempo de resposta finito decorrente da propagação/conversão do sinal de entrada para a saída

• O Tempo de Resposta é uma característica dinâmica

• Definido como o tempo para uma mudança incremental na saída variar de 10% até 90% do seu valor final quando na entrada é aplicado uma variação em degrau determinada.

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Constante de tempo

Para um sistema de primeira ordem, é otempo em que a saída alcança 63% do seuvalor final em resposta a um degrau naentrada.

REF: Jacob p. 22

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IE 012

Largura de banda (Bandwidth)• A largura de banda é uma característica

dinâmica extraída da resposta em frequência– Exemplo: Módulo do sinal de saída de um

acelerômetro submetido a uma determinada vibração (com mesma intensidade) e que tem sua frequência aumentada progressivamente.

59

Bandwidth

IE 012 60

Tempo de aquecimento (Warm-up Time)

Tempo requerido para o sistema alcançar a saída especificada depois do sinal de entrada ter sido aplicado e estabilizado

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IE 012 61

Característica de sobrecargaÉ a máxima amplitude da variável medidaque pode ser aplicada ao sensor sem causaralteração em seu desempenho além de umatolerância especificada.

Tempo de recuperação

Tempo necessário após a condição desobrecarga para que o sensor volte afuncionar novamente.

IE 012 62

Tempo de vida

Tempo de vida mínimo no qual o sensor iráoperar continuamente ou número de vezesque pode ser acionado, sem afetar seudesempenho e dentro as tolerâncias.

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IE 012 63

Condição ambiente permitida

Condição ambiente limite para que o sensor possadesempenhar sua função dentro da tolerânciaespecificada.

– Umidade– Temperatura– Campo eletromagnético– Materiais corrosivos– Choques– Pressão

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Critérios de seleção para um sensor em geral:

• Disponibilidade da tecnologia

• Custo na manufatura• Condições em que o

sensor será exposto- Temperatura- Umidade e estresse químico- Estresse mecânico

• Sensibilidade, nível de saída do sinal

• Relação sinal ruído

• Precisão, Exatidão • Linearidade• Deriva térmica• Offset• Consumo de potência,

tamanho e peso• Impedância de entrada e

saída• Estabilidade,

confiabilidade e tempo de vida

• Geometria do sensor• Resolução espacial