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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
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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
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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
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Fase do desenvolvimento tecnológico básico (1960- 1975)
- redução do tamanho
- início da comercialização
Fonte: Sze
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Fase do processamento em escala
(1975-1980)
- Produção em quantidade (wafer)
- Redução do custo e tamanho
- Expansão das aplicações práticas
Fonte: Sze
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Fase da micromáquinas – MEMS
(1980-2000)
- Construção de micro-estruturas mecânicas no mesmo substrato (integração monolítica)
- Novas possibilidades
Fonte: Sze
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Fase dos sensores sem-fio - wireless sensors
(2000-atual)
- Mobilidade
- Baixo consumo de energia
- Sensor como parte de um sistema inteligente
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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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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
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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
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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
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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
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Estudo de caso: Sensor de pressão, Fonte: Freescale Sensor Device Data
Fonte: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPXx5050
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Estudo de caso – sensor de pressão20
Fonte: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5050.pdf
Diagrama:
Invólucro:
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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)
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Estudo de caso – Função de Transferência22
Fonte: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5050.pdf
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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
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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
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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
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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
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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
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Medidas de linearidade
Fonte: Motorola sensor Devive Data
B=FSS
A
Não-linearidade independente
100%A
B×
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Saturação
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Estudo de caso – Saturação33
Fonte: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5050.pdf
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Caso prático: sistema sensor de temperatura
I
R 1V2V
A
Quem é o sensor de temperatura?
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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)
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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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Coeficientes de temperatura• offset • sensibilidade
Fonte: Motorola sensor Devive Data
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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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Estabilidade
A habilidade de um sensor manter seudesempenho dentro de determinadascaracterísticas por um certo período detempo. É representado em % da FSS.
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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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Função de transferência e limites de inaccuracy
Fonte: Jacob
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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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Precisão e extatidão45
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Accuracy_and_precision.svg
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Considerações sobre precisão e exatidão
Precisão Exatidão
Fonte: Intelligent Sensor Systems, Ricardo Gutierrez-Osuna, Wright State University
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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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Considerações sobre erros (sistemático e randômico)
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Erro de calibraçãoErro de natureza sistemática normalmenteintroduzido quando o sensor é calibrado nafabricação.
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Erro RandômicoErro de natureza randômica afetam a precisão erefletem no número de dígitos significativos deuma medida.
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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.
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Função de transferência com histerese
100%FSO
h ×FSS
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Zona morta
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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)
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Impedância de entrada/saída
Sensor com saída em tensão Sensor com saída em corrente
Zout Zin
Vs
VZout ZinIs
I
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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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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.
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Bandwidth
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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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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.
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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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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