Doeltreffende temperatuurdetectie in IoT-toepassingen met gebruikmaking van halfgeleidertechnologie

Door de groei van Internet of Things (IoT)-applicaties is de vraag naar temperatuursensors voor consumenten, woonomgevingen, commerciële en industriële toepassingen gestegen. Hoewel de temperatuur misschien wel de meest gemeten fysieke variabele is, stelt het meten ervan vaak uitdagingen op het gebied van het sensortype en het behoud van de prestaties in de loop van de tijd en de veranderingen in de omgeving.

De klassieke temperatuursensoren omvatten thermistoren, thermokoppels en weerstandstemperatuursensoren (RTD's). Dit artikel beschrijft de uitdagingen waar ontwerpers voor staan als het gaat om temperatuurmeting, en vergelijkt vervolgens deze drie sensormogelijkheden. Het zal dan een vierde optie beschrijven: solid-state temperatuursensoren.

Het zal doorgaan met het introduceren van geschikte solid-state temperatuuroplossingen en laten zien hoe deze kunnen worden gebruikt om te voldoen aan de eisen van de ivd-temperatuurmeting.

De voortdurende uitdaging van het meten van de temperatuur

Hoewel de temperatuur in principe eenvoudig te meten is, kan dit in de praktijk lastig zijn vanwege de nauwkeurigheid van de sensoren, de plaatsing, het stroomverbruik en het aantal te meten locaties.

• Nauwkeurigheid: Sommige ivd-toepassingen hebben prestaties nodig tot slechts ±2°C, terwijl ±1°C het meest gebruikelijk is, hoewel sommige precisietoepassingen hogere prestaties nodig kunnen hebben tot ±0,5°C of beter.
• Plaatsing: De eigenlijke plaatsing van de sensor is vaak een dilemma, inclusief hoe ver kan het zijn van het aandachtspunt en toch de leesintegriteit niet aantasten, terwijl er ook rekening wordt gehouden met de draadlengtes.
• Stroomverbruik: Veel ivd-toepassingen werken met een beperkte energiebron, zoals een batterij met een lange levensduur of energieoogst.
• Aantal gedetecteerde locaties: Sommige situaties hoeven slechts één of twee punten te monitoren, terwijl andere situaties veel meer moeten meten. Dit leidt tot communicatie- en kostenproblemen, terwijl de complexiteit van de plaatsing en het stroomverbruik toeneemt.

Traditionele sensoren passen misschien niet goed bij elkaar

Thermokoppels, RTD's en thermistors worden op grote schaal gebruikt en zijn zeer geschikt voor bekabelde, niet-IoT-toepassingen, maar ook voor toepassingen waar stroom beschikbaar is. Hun primaire kenmerken kunnen echter onverenigbaar zijn met uiteenlopende en verspreide ivd-installaties. Dit is het geval ondanks de vele hoge functie-interface-IC's die beschikbaar zijn om hen te ondersteunen en de diepgaande ervaring van ontwerpers in hun toepassing.

Elk van deze drie benaderingen heeft zijn voor- en nadelen:

• Thermokoppels kunnen een uitstekende nauwkeurigheid bieden over een zeer breed temperatuurbereik tot duizenden graden, maar vereisen een extra omgevingstemperatuursensor voor koude kruisingscompensatie (CJC). Ze vereisen ook geavanceerde interfacecircuits.
• De weerstandstemperatuurdetector (RTD) is ook vrij nauwkeurig en heeft een vrij lineaire temperatuur- versus weerstandsoverdrachtsfunctie. Er zijn echter tientallen milliampères aandrijvingsstroom en geavanceerde aandrijf- en uitleescircuits nodig. Het is ook relatief duur vanwege het gebruik van platina.
• Thermistors hebben een hoge verandering in de weerstand per graad van temperatuursverandering, wat zorgt voor een verbeterde resolutie. Ze zijn nauwkeurig en stabiel, en hun kleine omvang resulteert in een kleine thermische massa, wat resulteert in een snelle reactietijd. In tegenstelling tot thermokoppels en RTD's zijn er echter geen industriële normen voor hun responscurves, wat zowel goed als slecht is. Er zijn veel thermistortypen en -bereiken waaruit gekozen kan worden, maar de uitwisselbaarheid en vervanging kan problematisch zijn.

Tabel 1 vat de belangrijkste kenmerken en eigenschappen van thermokoppels, RTD's en thermistors samen, terwijl Tabel 2 hun relatieve sterke en zwakke punten vergelijkt. Zoals altijd is er geen enkele "beste" temperatuursensor, aangezien elk type een afweging van kenmerken versus toepassingsdoelstellingen en -prioriteiten vertegenwoordigt.

Tabel 1: De drie veelgebruikte, traditionele temperatuursensoren - thermokoppel, RTD en thermistor - hebben zeer verschillende primaire prestatiekenmerken. (Beeldbron: Omega Engineering Inc.)

Tabel 2: Een vergelijking van de basisattributen laat zien dat thermokoppels, RTD's en thermistors elk een rol spelen, afhankelijk van de applicatievereisten. (Beeldbron: Omega Engineering Inc.)

De inherente niet-lineariteit van thermokoppels en thermistoren betekent dat ze moeten worden gelineraliseerd (figuur 1). Dit kan worden bereikt via een volledig analoog circuit (minder gebruikelijk in de meeste nieuwe ontwerpen), een opzoektabel in het geheugen of een algoritme dat een correctieberekening geeft. Dit draagt echter bij aan de uitdagingen om ze te gebruiken in basistoepassingen van het ivd en multi-kanaals toepassingen.

Cijfer 1: Een systeem dat gebruik maakt van een thermokoppel, RTD of thermistor moet compenseren voor de inherente niet-lineariteiten, die zowel in de algemene vorm van elk type als in specifieke modellen verschillen. (Beeldbron: Omega Engineering Inc.)

Hoewel elk van de voordelen van thermistors, RTD's en thermokoppels hen ideaal maken voor specifieke toepassingen, hebben ontwerpers van ivd-toepassingen een meer generieke oplossing nodig. Dit houdt in dat deze snel en tegen lage kosten kan worden ingezet en dat de nauwkeurigheid, prestaties en reactietijd in typische halfgeleidertoepassingsomgevingen kunnen worden gehandhaafd. Naarmate het aantal aan te sluiten sensoren toeneemt, is er ook behoefte aan een eenvoudige communicatie en configuratie.

Dit zijn enkele van de redenen waarom een solid state benadering van sensing aantrekkelijk blijkt te zijn voor de ontwerpers van ivd-toestellen.

Solid state sensoren passen in het ivd-sjabloon

Het concept van de halfgeleidersensoren is niet nieuw, maar het is in de loop der jaren enorm ontwikkeld en verbeterd. De sensoren beginnen met de bekende ideale diodevergelijking die de relatie tussen diodestroom, spanning en temperatuur per vergelijking 1 definieert:

Equatie 1

De thermische spanning V_t van een diode is de spanning die door het effect van de temperatuur over de P-N-verbinding wordt ontwikkeld. Het is ongeveer 26 millivolt (mV) bij kamertemperatuur. Het is deze relatie tussen thermische spanning en temperatuur die het mogelijk maakt om een diode te gebruiken als de kern van een temperatuursensor.

De inherente en onvermijdelijke niet-lineariteit van deze relatie maakt een basisdiode echter moeilijk te gebruiken en te fungeren als een gekalibreerde sensor. De toevoeging van on-chip linearisatiecircuits maakt het mogelijk om solid-state sensoren te laten functioneren als een effectieve keuze voor ivd-toepassingen. Door componenten rond de diode toe te voegen, kunnen deze moeilijkheden worden overwonnen tot een punt waarop de op diode gebaseerde sensor een aantrekkelijke optie is.

De eerste op de massamarkt gebaseerde temperatuur IC was de AD590 van Analog Devices (figuur 2). Dit werd enkele decennia geleden voor het eerst geïntroduceerd, maar is zo nuttig gebleken dat het vandaag de dag nog steeds beschikbaar is in een breed scala van pakketten, waaronder twee-lood doorvoer, dual inline pakket (DIP), en een kleine opbouwbehuizing.

Cijfer 2: De AD590 van Analog Devices is een twee-terminalige stroom sourcing temperatuursensor die een lineaire 1 μA/K stroom produceert die evenredig is met de absolute temperatuur. Hier wordt het getoond in een flatpackverpakking met draden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De sensor werkt als een eenvoudige temperatuurafhankelijke stroombron die een analoge uitgangsstroom van 1 μA/K produceert die evenredig is met de absolute temperatuur (PTAT). Deze uitgang is lasergetrimd om het apparaat te kalibreren tot 298,2 μA bij 298,2 K (25°C). De stroomuitgang is relatief ongevoelig voor ruis en kan worden gebruikt in lange draadgangen, vergelijkbaar met een 4 - 20 mA stroomlus.

De AD590 werkt van een +4 tot +30 volt bron, die wordt toegepast via de stroomuitgangskabels. Er zijn versies beschikbaar die voldoen aan nauwkeurigheidsspecificaties die variëren van ±2°C tot ±0,5°C, over het werkbereik van -55°C tot 150°C. Veel ivd-toepassingen vereisen slechts een beperkte en misschien minder nauwkeurige lezing, dus een minder dure versie zou geschikt zijn.

In de decennia sinds de introductie van de AD590-serie zijn veel variaties op basis van het oorspronkelijke concept geïntroduceerd. In veel ontwerpen is bijvoorbeeld de basisstroomuitgang onhandig omdat deze een stroom-naar-spanning of stroom-naar-digitale conversie nodig heeft om nuttig te zijn.

Deze factoren hebben geleid tot de introductie van dergelijke sensoren zoals de Analog Devices AD22100. Dit levert een lineaire spanningsuitgang op die evenredig is met de temperatuur × V+, met een temperatuurcoëfficiënt van 22,5 mV/°C (figuur 3). Er is geen snoeien nodig in het bereik van -55°C tot 150°C. De nauwkeurigheid is ten minste ±2% van de volledige schaal, terwijl de lineariteit beter is dan ±1% van de volledige schaal.

Cijfer 3: Dit functionele blokschema van de AD22100 laat zien hoe de temperatuursafhankelijke stroomuitgang wordt omgezet in een nauwkeurig geschaalde spanning via zijn interne op amp. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Door zijn ratiometrische aard is de AD22100 gemakkelijk te koppelen aan een analoog/digitaal-omzetter (ADC) door de 5 volt voeding van de AD22100 te gebruiken als referentie voor de ADC (figuur 4). Hierdoor is een nauwkeurige spanningsreferentie niet meer nodig. Bij een enkele voeding van +5,0 V varieert het vermogen van 0,25 V bij -50°C tot +4,75 V bij +150°C.

Cijfer 4: De spanningsuitgang van de Analog Devices AD22100 solid state sensor is goed geschikt voor een directe interface met een ADC. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Er zijn andere op diode gebaseerde vaste-stofsensoren beschikbaar die de A/D-converter bevatten, meestal met een I²C of SMBus-interface naar de systeemprocessor. Omdat de temperatuur een relatief langzaam veranderende variabele is, kan de omvormer langzaam zijn met een hoge resolutie (18 tot 22 bits) en werken op een zeer laag vermogen. Dit kunnen effectieve oplossingen zijn wanneer slechts één of enkele kanalen nodig zijn.

In toepassingen waar veel kanalen nodig zijn, zoals het monitoren van verschillende mogelijke "hot spots" in een systeem, kan het verstandig zijn om goedkope sensoren te gebruiken en het conversiecircuit te delen. De goedkoopste beschikbare sensor is de basisdiode (in de praktijk de diodeverbinding van een transistor met een laag vermogen), maar de niet-lineairiteit ervan maakt hem moeilijk te gebruiken.

Om deze zorgen te overwinnen, ondersteunen IC's zoals Microchip Technology's EMC181x series meerdere transistors en voegen de benodigde functies toe om de diode-uitgang van de transistor lineair en nauwkeurig te maken, terwijl ze ook digitaliseren. Wanneer externe transistors worden toegevoegd, functioneren apparaten uit deze familie (EMC1812/13/14/15/33) als zeer nauwkeurige 2-draads meerkanaals temperatuursensoren met een SMBus/I²C-interface (afbeelding 5).

Cijfer 5: De Microchip Technologie EMC181x familie van interface-IC's heeft één interne diode (transistor) sensor en tussen één en vier externe diode-sensoren. Dit vereenvoudigt de taak van meerkanaals metingen aanzienlijk door het minimaliseren van de bedrading en de interfacecomponenten. (Beeldbron: Microchip Technology Inc.)

Elk IC in de serie bevat een interne temperatuursensor (±1°C maximale nauwkeurigheid, -40°C tot +125°C) en aansluitingen voor externe detectiekanalen. Het EMC1812 heeft één extern diodekanaal, tot het EMC1815 dat vier externe kanalen heeft.

Om de nauwkeurigheid te garanderen en de noodzaak van kalibratie te vermijden, zijn deze IC's voorzien van verschillende geavanceerde functies. Bijvoorbeeld, de weerstandsfoutcorrectie (REC) elimineert automatisch de temperatuurfout die wordt veroorzaakt door de weerstand van de meetserie, waardoor een grotere flexibiliteit in de routing van de sensordiodes mogelijk is. Een andere functie, die betacompensatie wordt genoemd, elimineert temperatuurfouten die worden veroorzaakt door lage, variabele bètatransistoren die op grote schaal beschikbaar zijn. Het resultaat is een meetnauwkeurigheid van ±1°C en een resolutie van 0,125°C voor de externe diode-aflezingen.

Integratie brengt meer flexibiliteit in de verwerking en configuratie

De EMC181x serie gaat verder dan alleen meten en rapporteren aan een systeemprocessor. Ze bevatten functies die een processor ontlasten van de noodzaak om de temperatuur te blijven controleren, zoals door de gebruiker in te stellen drempelwaarschuwingen per kanaal en waarschuwingen voor het meten van de snelheid, maar de interne complexiteit van deze IC's is transparant voor de gebruiker (figuur 6). Als gevolg daarvan wordt de last van de processor om de situatie over de verschillende leespunten te bewaken en te beoordelen sterk verminderd, terwijl de flexibiliteit van de gebruiker behouden blijft.

Cijfer 6: Binnen de EMC181x familie van IC's zijn registers voor het opslaan van door de gebruiker ingestelde waarden per kanaal voor drempel- en trendalarmen. (Beeldbron: Microchip Technology Inc.)

Solid state sensor IC's kunnen ook worden ontworpen om een hogere nauwkeurigheid te bieden dan de meer gebruikelijke ±0,5 tot ±1°C rating van de meeste van dergelijke apparaten. Een goed voorbeeld hiervan is de TMP117 van Texas Instruments (Figuur 7).

Cijfer 7: Met zijn gegarandeerde nauwkeurigheid van ±0,1°C van -20°C tot 50°C is de TMP117 van Texas Instruments gecertificeerd om te voldoen aan kritische medische normen; hij is ook goed geschikt voor de vele ivd-toepassingen met een beperkt bereik. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Dit is een digitale temperatuursensor met hoge precisie, gericht op (maar niet beperkt tot) elektronische patiëntthermometers. Voor deze toepassing is het ontworpen en gekwalificeerd volgens ASTM E1112 en ISO 80601. Andere toepassingen zijn onder meer milieubewaking, hoogwaardige thermostaten, wearables, asset tracking, cold chain monitoring en gas-/warmtemeters.

De TMP117 levert een 16-bits temperatuurresultaat met een resolutie van 0,0078°C (18-bits) en een nauwkeurigheid tot ±0,1°C over het temperatuurbereik van -20°C tot 50°C zonder dat er gekalibreerd hoeft te worden. Dit is een relatief beperkt bereik, maar wel een dat voor veel toepassingen voldoende is. De nauwkeurigheid is nog steeds hoog, met een maximale fout van ±0,3°C van -55°C tot +150°C.

De TMP117 digitaliseert de temperatuurmeting met een snelheid van 1 Hertz (Hz) en levert de resultaten via I²C en SMBus™-compatibele interfaces. Tot vier van deze IC's kunnen worden ondersteund op één enkele bus. Om de last van de processor te verminderen, omvat het

een programmeerbare drempelwaarschuwingsfunctie. Aangezien veel van zijn doeltoepassingen op batterijen werken met een beperkte energiecapaciteit, is het belangrijk op te merken dat de TMP117 een 1,8 tot 5,5 volt voeding heeft en doorgaans 3,5 microampère (µA) met een uitschakelstroom van 150 nanoampère (nA) opneemt. Het is ook klein, ondergebracht in een 6-loods, 2,00 mm bij 2,00 mm WSON pakket.

Zorgen voor sensor- en systeemprestaties

Het kiezen van een sensor met de juiste specificatie en vervolgens het juiste gebruik ervan zijn twee verwante maar enigszins onafhankelijke kwesties. Bij de keuze van een temperatuursensor is de basisvraag altijd over welk bereik deze een geldige meting moet opleveren.

Als dit eenmaal is vastgesteld, zijn er vragen over de vereiste absolute nauwkeurigheid, precisie en resolutie, en lineariteit over het hele bereik. Sommige toepassingen zijn meer gericht op het "zien" van een kleine verandering in de temperatuur dan op het kennen van de precieze waarde ervan; voor andere is de absolute nauwkeurigheid van de aflezing kritischer. De ontwerper moet zorgvuldig overwegen welk prestatieniveau nodig is in elke parameter. De situatie is gecompliceerder als er een hogere nauwkeurigheid nodig is in een smalle zone van belang, terwijl er minder nodig is verder weg van die zone.

Datasheets voor temperatuursensoren komen met enkele brede claims zoals "nauwkeurigheid van ±1°C van -55°C tot +150°C", maar geven ook veel gedetailleerde prestatietabellen en grafieken. Deze breiden de verklaring op hoog niveau voor gebruikers uit om context te bieden en geven bijvoorbeeld aan welke specificaties typische getallen zijn en welke minimum- of maximumgetallen. Ze zullen ook de lineariteitscurve van de sensor laten zien, aangezien de prestaties van de sensor in de verschillende zones van het volledige bereik zullen verschillen. Ook is de nauwkeurigheid van de meting meestal constant over het hele bereik, terwijl de absolute nauwkeurigheid dat niet is; dit is meestal geen punt van zorg als het doel van het systeem in de eerste plaats is om kleine veranderingen rond de gedetecteerde waarden te melden.

Ook de plaatsing van de sensor is een probleem. Het moet natuurlijk dicht bij het punt of het gebied van belang zijn, maar de kwestie is precies waar en hoe dichtbij. In sommige gevallen moet de sensor fysiek worden aangesloten op de te detecteren items (zoals het frame van een motor die oververhit kan raken); in vergelijking, voor een behuizing, moet hij "ergens" in de doos zitten. Zelfs dat "ergens" kan een uitdaging zijn om te bepalen, aangezien het direct in de luchtstroom zijn een meting kan opleveren die aanzienlijk verschilt van het zijn in de buurt van een hete component.

Om deze reden maken veel geavanceerde ontwerpen gebruik van meerdere sensoren om een real-time thermische "kaart" van het systeem te maken terwijl het werkt, waarbij kritische gelokaliseerde hotspots en de totale systeemtemperatuur worden gemeten. Dit scenario geldt niet alleen voor kleine behuizingen of chassis. IoT-toepassingen die een of meer temperatuurgevoelige punten nodig hebben, zijn onder meer HVAC, waterverwarmers, energiebeheer, beveiliging, apparaatbewaking en andere oververhittingsscenario's. Verschillen tussen deze metingen, en vooral veranderingen in die verschillen, kunnen wijzen op problemen.

Er zijn nog twee andere gunstige punten met betrekking tot deze solid-state sensoren voor ivd-toepassingen. Ten eerste hebben ze door hun geringe omvang en lage massa een minimale thermische impact op het te meten punt of object en veranderen ze de temperatuurstijging of -valsnelheid niet noemenswaardig. Ten tweede betekent hun lage vermogensdissipatie dat hun zelfverwarming ook verwaarloosbaar is, zodat de aflezing niet wordt beschadigd door de eigen thermische uitstoot van de sensor.

Conclusie

Hoewel traditionele sensoren hun voordelen hebben in specifieke toepassingen, zoals extreem hoge temperaturen in het geval van thermokoppels, zijn dergelijke extremen zelden een punt van zorg voor de meeste ivd-toepassingen.

Dit opent de deur naar solid-state temperatuursensoren vanwege hun vrij hoge nauwkeurigheid en resolutie, lage vermogenseisen, kleine afmetingen en toenemende mate van functionaliteit. Zowel enkelvoudige als meerkanaals ivd-applicaties kunnen eenvoudig worden gekoppeld aan deze solid-state apparaten, waardoor nauwkeurige en nauwkeurige metingen mogelijk zijn.