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Universidad Veracruzana
Facultad De Ingeniería
CARACTERIZACIÓN DE UN
MICROSISTEMA DE CONTROL DE
TEMPERATURA PARA LA OPERACIÓN
DE MICROSENSORES
TESIS
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
PRESENTA:
CARLOS ALBERTO GÓMEZ PECERO
XALAPA, VER. SEPTIEMBRE 2009 “Porque un puente, aunque se tenga el deseo de tenderlo y toda la obra sea un puente hacia y desde algo, no es verdaderamente un puente mientras los hombres no lo crucen. Un puente es un hombre cruzando un puente, che.” Julio Cortázar Agradecimientos
Mucha gente ha sido parte de este recorrido, que apenas empieza. Sus consejos, ayuda y críticas marcaron, y siguen marcando, mi proceder durante las distintas etapas de este proceso. Sin ellos todo hubiera sido diferente. Me resulta difícil mencionar aquí a todas estas personas que significan tanto para mí y que forman una parte importante de mi vida, es por ello que únicamente menciono a aquellos que han tenido una intervención directa en mi proceso educativo y de desarrollo profesional, y aún así probablemente estoy omitiendo nombres que deberían aparecer. Agradezco en primero lugar a mis padres, quienes cimentaron la base sobre la cual se erige mi educación, así como a mi familia que durante toda mi vida han ayudado a formar mi visión y carácter. A los profesores que lograron transmitirme sus conocimientos y experiencia, en especial a los que han despertado en mí el interés por las ciencias y me han ayudado a formarme en el ámbito de la ingeniería. A Gloria Martínez, Fayne Meza, Antonio Salgado y Eleuterio Flores, ya que ustedes fueron los compañeros en los cuales me apoyaba cuando era necesario, desarrolle innumerable cantidad de proyectos y con los que sé siempre podré contar. Un agradecimiento especial para mi director de tesis, el Dr. Jesús García Guzmán, ya que sin su apoyo, la realización de este trabajo hubiera sido imposible. Para terminar, agradezco a mi alma mater, la Universidad Veracruzana. Índice Introducción ........................................................................................................................................ 1 Referencias ...................................................................................................................................... 7 Capítulo 1. Descripción del ASIC y Ubicación del Sistema ............................................................. 11 Referencias .................................................................................................................................... 19 Capítulo 2. Sistema De Control De Temperatura .......................................................................... 22 2.1 Sensores de temperatura ........................................................................................................ 26 2.2 Circuito del punto de ajuste de temperatura ......................................................................... 28 2.3 Circuito compensador ............................................................................................................. 30 2.4 Circuito suministrador de corriente ........................................................................................ 33 2.5 Calentadores resistivos ........................................................................................................... 35 Referencias .................................................................................................................................... 36 Capítulo 3. Descripción Física de Componentes ............................................................................ 39 3.1 Electrodos ................................................................................................................................ 43 3.2 Calentadores ........................................................................................................................... 45 3.3 Elemento Sensor ..................................................................................................................... 47 3.4 Resistores ................................................................................................................................ 48 3.5 Empaque ................................................................................................................................. 50 Referencias .................................................................................................................................... 53 Capítulo 4. Simulaciones .................................................................................................................. 55 4.1 Termodiodo ............................................................................................................................. 56 4.2 Circuito de ajuste de temperatura .......................................................................................... 58 4.3 Circuito compensador ............................................................................................................. 60 4.4 Circuito suministrador de corriente ........................................................................................ 62 Referencias .................................................................................................................................... 65 Capítulo 5. Conclusiones ................................................................................................................. 67 Referencias .................................................................................................................................... 69 Bibliografía y referencias ................................................................................................................... 70 Anexos .............................................................................................................................................. 75 ¸ndice de figuras
Figura 1.1. Representación general del sistema. .............................................................................. 12 Figura 1.2. Conexión de los resistores poliméricos en configuración ratiométrica. ......................... 14 Figura 1.3. Diagrama de bloques simplificado del circuito de control de temperatura. .................. 18 Figura 2.1. Diagrama de bloques de la sección del control de temperatura. ................................... 23 Figura 2.2. Diagrama esquemático simplificado del circuito de control de temperatura. ............... 24 Figura 2.3. Sensor de Temperatura. ................................................................................................. 27 Figura 2.4. Circuito de ajuste de temperatura. ................................................................................. 28 Figura 2.5. Diagrama de referencia para el punto de ajuste de temperatura. ................................. 29 Figura 2.6. Vista esquemática del circuito compensador de temperatura. ..................................... 31 Figura 2.7. Vista esquemática del circuito suministrador de corriente. ........................................... 34 Figura 2.8. Vista esquemática del calentador resistivo. ................................................................... 35 Figura 3.1. Vista del área de los sensores y el calentador. ............................................................... 44 Figura 3.2. Detalle del diseño del termodiodo especialmente diseñado para el chip. .................... 47 Figura 3.3. Empaque cerámico de 68 pines en el que se encuentra el chip ASIC; conexiones entre el chip y el empaque. ............................................................................................................................ 50 Figura 3.4. Dimensiones en milímetros y en (pulgadas) del empaque cerámico.. .......................... 52 Figura 4.1. Diagrama esquemático del sistema de control de temperatura. ................................... 55 Figura 4.2. Simulación de la respuesta del termodiodo. .................................................................. 57 Figura 4.3. Respuesta del punto de ajuste al variar el valor del potenciómetro externo. ............... 58 Figura 4.4. Respuesta de circuito compensador. .............................................................................. 61 Figura 4.5. Corriente en la resistencia que actúa como calentador respecto al voltaje de salida del circuito compensador. ...................................................................................................................... 62 Figura 4.6. Corriente que circula por el calentador al no existir la red de compensación; circuito suministrador de corriente en el cual se realizó la simulación. ........................................................ 64 Introducción
Introducción
Cada día es mucho más común interactuar con dispositivos electrónicos, los cuales son capaces de realizar diversas tareas complejas sin la necesidad de emplear accesorios o equipo adicional alguno. Aunado a esto, estos dispositivos son hoy en día muy pequeños, atributo que les concede una característica muy deseable: la portabilidad. El nivel de desarrollo tecnológico no siempre nos permitió diseñar dispositivos de pequeña escala. Las supercomputadoras de primera generación ocupaban grandes espacios y resolvían sistemas de 29 ecuaciones y 29 incógnitas en una hora, mientras que a las calculadoras mecánicas existentes una operación similar les tomaba 381 horas [1]. Conforme avanza el desarrollo de la tecnología, aumentan las exigencias en las funciones que deben realizar los dispositivos electrónicos, por lo que se desean operaciones cada vez más complejas; por ejemplo, un ser humano puede reconocer un rostro de manera instantánea, pero, con la tecnología disponible a mediados del siglo XX, contar con una computadora capaz de realizar operaciones de esta índole de manera eficiente, parecía imposible y hubiera implicado computadoras del tamaño de edificios. Esto hubiera resultado en grandes desventajas. Se necesitaría demasiado material, el consumo energético y la generación de calor del dispositivo serían muy altos; una limitación práctica más importante sería la velocidad, llevar la información de un lado a otro tomaría demasiado tiempo debido al tamaño que dicho dispositivo supondría. Tal como el ganador del Premio Nobel de 1965 Richard Feynman predijo [2], el querer que las computadoras realicen operaciones cada vez más complejas a cada vez mayor velocidad, nos ha llevado a desarrollar técnicas para fabricar dispositivos cada vez más y más pequeños [3‐5]. Ello Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 1 Introducción ha sido posible debido al crecimiento exponencial que se ha producido en la industria de los semiconductores, lo que ocurrió de la misma forma en que Geoge E. Moore lo pronosticó [6], en lo que ahora es conocido como la Ley de Moore [7]. Durante las últimas décadas se ha avanzado de manera veloz en el área de la micro y nanotecnología. Los procesos microelectrónicos existentes hoy en día han impulsado el desarrollo de nuevos dispositivos [8‐10] en diversos ámbitos de la ciencia como la biología, medicina, química, electrónica, entre otros. La integración de sistemas capaces de realizar diversas funciones en un solo circuito integrado de aplicación específica (ASIC), amplia la posibilidad de desarrollar dispositivos complejos de menor tamaño, debido a que se requiere una menor cantidad de componentes externos, existiendo la posibilidad de hacer de estos sistemas portátiles. Con los primeros componentes ASICs se comenzó a proveer sistemas de alto desempeño, con una cantidad de componentes reducida, lo que dio como resultado sistemas pequeños, fáciles de fabricar y de menor consumo energético. Al ser estos sistemas cada vez más complejos, es de gran importancia caracterizar su respuesta. Su caracterización permite un buen entendimiento de las capacidades y limitaciones de cada diseño en todo el rango de desempeño o en el de la aplicación deseada. Algunos otros beneficios son la extracción de parámetros, evaluación de la confiabilidad, monitoreo de defectos, así como la verificación de su funcionamiento [11]. Un rol importante de la caracterización es asegurarse de cumplir especificaciones clave de diseño. La determinación del rango real de operación de los parámetros clave de los componentes que conforman el ASIC provee de información vital para sus diseñadores, de esta manera, se aseguran de no incurrir en costosos procesos de rediseño [12]. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 2 Introducción Aunque existen diferentes maneras de realizar las mediciones durante la caracterización [13, 14], este proceso se realiza mediante dos tipos de pruebas. Primero, probando parámetros eléctricos estándar de los componentes, después llevando a cabo pruebas especificas a la aplicación del dispositivo. Al momento de caracterizar se emplea software, el cual permite simular el desempeño funcional del sistema, así como generar curvas del comportamiento esperado de sus componentes. Esta información sirve de base al compararse con los resultados de mediciones de voltaje, corriente, temperatura y tiempo, practicadas al ASIC. En un ASIC, en el que la temperatura de operación resulta ser un factor importante al momento de desempeñar las funciones para las que fue diseñado, se necesita de un sistema para regular su temperatura. Al contar con este sistema de manera externa se requieren de diversos componentes para cumplir con esta función, lo que implica mayor espacio. Hoy en día más del 80% de los productos microelectrónicos están basados en tecnología MOS complementaría (CMOS) [15], la cual permite producir sistemas capaces de realizar diversas tareas en un solo chip. Debido a lo anterior, existe la posibilidad de implementar un sistema de control de temperatura en el interior del chip, reduciendo espacio y agregando versatilidad al sistema. El comportamiento de un sistema de control se debe analizar. En el análisis y diseño de sistemas de control se debe tener una base de comparación del comportamiento del sistema de control; esta base se puede obtener al evaluar el comportamiento del sistema con señales de entrada que lo afectarán. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 3 Introducción Aunque generalmente la señal de entrada no se conoce con anticipación, se utilizan señales de prueba para analizar el comportamiento. El uso de señales de prueba se justifica porque existe una correlación entre las características de la respuesta de un sistema para una señal de prueba común y la capacidad del sistema de manejar las señales de entrada reales [16]. Las señales de prueba que se usan regularmente son funciones escalón, rampa, parábola, entre otras. La forma de entrada a la que el sistema estará sujeto con mayor frecuencia en una operación normal determina cuál de las señales de entrada típicas se debe usar para analizar las características del sistema [16]. Si la entrada para un sistema de control está sujeta a perturbaciones repentinas, una función escalón será una buena señal de prueba. Así mismo, si las entradas de un sistema son funciones del tiempo que cambian en forma gradual, una función rampa será mejor. Un caso en el que las entradas cambian de manera gradual en función del tiempo son los sistemas encargados de regular la temperatura. Los sistemas de control comparan el valor efectivo de la salida con el valor deseado, para producir una señal de control que reduce la desviación entre el valor efectivo y el deseado a cero o un valor pequeño. La forma en la que se produce la señal de control recibe el nombre de acción de control. La acción de control más simple es la llamada SI‐NO o de dos posiciones. Como su nombre lo indica, el controlador tiene solamente dos posiciones fijas, pudiendo existir una brecha diferencial entre éstas, la cual evita la acción excesivamente frecuente del mecanismo SI – NO. Otro tipo de acción de control es el llamado control proporcional. En éste, la señal de control es proporcional al error. Aunque es una acción de control relativamente simple, se emplea en diversos sistemas de control [17 ‐ 20] que no requieran de acciones de control más complejas. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 4 Introducción Este tipo de controlador tiende a producir un error en estado estacionario considerable al someterse a entradas similares a una función escalón [16]. Un tipo de acción de control que no presenta error en estado estacionario es el control integral, pero éste se recomienda únicamente para plantas muy estables, ya que puede afectar la estabilidad del sistema [21]. Al combinar las acciones de control proporcional e integral las condiciones de estabilidad se mejoran respecto al controlador integral puro, además de combinarse las características de ambas acciones; la acción proporcional ayuda a corregir más rápido el error y la acción integral elimina totalmente el error [21]. Cuando una acción de control derivativa se agrega a un controlador proporcional, se obtiene un controlador con alta sensibilidad. La acción de control derivativa responde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del error se vuelva demasiado grande [16]. Es por esto que se dice que el control derivativo prevé el error, inicia una acción de correctiva oportuna y tiende a aumentar la estabilidad del sistema. La acción de control derivativo tiene la desventaja de amplificar las señales de ruido [21]. Al combinarse las acciones de control proporcional, integral y derivativa en un solo controlador se tienen juntas las características de cada acción. El control proporcional aumenta la rapidez de respuesta y sólo actúa en el transitorio, ya que al final, el control integral elimina el error. El control derivativo ayuda con la estabilidad del sistema. Este tipo de control se aplica de forma casi general a la mayoría de los sistemas de control, especialmente cuando el modelo matemático de la planta no se conoce [16]. En este trabajo recepcional se caracterizará, a través de software computacional, la respuesta del sistema de control proporcional de temperatura que forma parte de un circuito integrado de aplicación específica para la detección de compuestos orgánicos volátiles o gases, Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 5 Introducción desarrollado en el año 2005 en el Laboratorio de Investigación en Sensores del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Warwick, Inglaterra, como proyecto de tesis doctoral de Jesús García Guzmán [22]. Se analizará el comportamiento de los principales componentes de dicho sistema, así como la respuesta del sistema de control de temperatura completo. Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones computacionales serán comparados con los resultados obtenidos con anterioridad, durante el proceso de diseño y fabricación del sistema. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 6 Introducción Referencias [1] “Computadoras, primera generación” en Museo de la Informática y Computación Aplicada documento disponible en “http://mx.geocities.com/pcmuseo/” el 19 de Mayo de 2009. [2] Feyman, R.P. (1960) ‘There’s Plenty of Room at the Bottom’, Engineering & Science, California Institute of Technology, disponible en “http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html”. [3] Fan, X., Zhang, H., Liu, S., Hu, X., Jia, K. (2006). “NIL—a low‐cost and high‐throughput MEMS fabrication method compatible with IC manufacturing technology”, Microelectronics Journal, Vol. 37, Issue 2, pp. 121 – 126. [4] Qin, S. J., Cherry, G., Good, R., Wang, J., Harrison, C. A. (2007). “Semiconductor manufacturing process control and monitoring: A fab‐wide framework”, Journal of Process Control, Vol. 16, Issue 3, pp. 179‐191. [5] Tosello, G., Hansen, H. N., Gasparin, S. 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(2005). “Micropyrotechnics, a new technology for making energetic microsystems: review and prospective", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 120, Issue 2, pp. 297‐310. [10] Arshak, A., Arshak, K., Waldron, D., Morris, D., Korostynska, O., Jafer, E., Lyons, G. (2005). “Review of the potential of a wireless MEMS and TFT microsystems for the measurement of pressure in the GI tract”, Medical Engineering & Physics, Vol. 27, Issue 5, June 2005, pp. 347‐356. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 7 Introducción [11] Walton, A.J. and Smith, S. (2008). “A Review of Test Structures for Characterizing Microelectronics and MEMS Technology”, Advances in Science and Technology, Vol. 54, Trans Tech publications, Switzerland, pp. 356 – 365. [12] Chrusciel, R.W. (1990). “Characterization of ASIC Performance via Application Specific Test Engineering”, ASIC Seminar and Exhibit, Proceedings Third Annual IEEE, pp. P13/3.1 ‐ P13/3.5. 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(2005). “Smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, PhD Thesis, Department of Engineering, University of Warwick, UK. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 9 Capítulo I
Capítulo 1. Descripción del ASIC y Ubicación del Sistema
El circuito integrado de aplicación específica (ASIC por sus siglas en inglés), del cual se caracterizarán algunos de sus componentes, fue diseñado para cumplir con la tarea de monitorear la presencia de gases, así como hacer frente a los cambios de las condiciones ambientales que puedan afectar dicho proceso. El control de la temperatura es una condición crítica para el correcto funcionamiento del sistema, el cual debe tener la capacidad de operar a diferentes valores constantes, los cuales se deben regular de manera eficaz, sin que se afecte su respuesta. Este circuito integrado tiene ciertas características inteligentes para ser capaz de resolver los problemas relacionados con variaciones en el proceso de monitoreo y cambios en las condiciones ambientales, como son sus capacidades de compensación y auto calibración; para esto incorpora un par de resistores basados en un polímero conductor, los cuales se encuentran conectados en una configuración ratiométrica1 [1]. Aunado a esto, un calentador regulable a partir de la señal producida por un sensor de temperatura, se ubica estratégicamente, por cada resistor polimérico. El funcionamiento del chip ASIC se encuentra dividido en dos partes principales: la sección encargada de medir la presencia y concentración de gases y la sección encargada de controlar la temperatura de operación del sensor de gases. 1
Adaptación del término en ingles ratiometric, que hace referencia a una razón de cambio, en este caso, la relación existente entre Rp y Rpo en la configuración ratiométrica o ratiometric configuration, como es nombrada en ingles. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 11 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema La Figura 1.1, tomada de [2], muestra de manera general la estructura completa del ASIC, pudiéndose observar claramente cada una de las dos partes principales. Figura 1.1. Representación general del sistema. Los bloques en la parte superior del chip ASIC, dentro de la representación general del sistema, corresponden al circuito sensor de gases, mientras que la sección inferior corresponde a la parte encargada del control y monitoreo de la temperatura en los puntos de interés del sistema. Las entradas y salidas del chip ASIC requieren de una etapa posterior de procesamiento de señales, cuyas funciones dentro del sistema pueden llevarse a cabo por una unidad microcontroladora o mediante instrumentación virtual. Estas formas de procesar la información obtenida por el chip presentan diferentes características, a partir de las cuales se seleccionará alguna de ellas de acuerdo a lo que resulte más conveniente. El uso de instrumentación virtual requiere de una tarjeta de adquisición de datos, una PC y del software adecuado para el desarrollo de este tipo de aplicaciones. Este tipo de procesamiento resulta adecuado durante el proceso de Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 12 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema investigación, debido a que se cuenta con la posibilidad de realizar ajustes al desarrollar el programa de instrucciones con el que se desea controlar las funciones del chip, con la finalidad de mejorarlo o adaptarlo, de manera sencilla, a las necesidades del sistema conforme se avanza en su desarrollo, aumentando así la flexibilidad del proceso. Sin embargo, el desarrollo de este chip se encuentra enfocado hacia su utilización en sistemas portátiles [2], por lo que la utilización de instrumentación virtual resulta inadecuada. El uso de una unidad microcontroladora se recomienda para dicho propósito. Además de la unidad microcontroladora o equipo de instrumentación virtual, también se utilizan tres potenciómetros externos, con la finalidad de controlar algunas funciones específicas de ajuste que se mencionarán más adelante. Existe la posibilidad de que estos potenciómetros sean analógicos o digitales, pudiendo ser estos últimos ajustables a través de la unidad microcontroladora o mediante controles adicionales en el software de instrumentación virtual, según sea el caso. Dos circuitos conectados en configuración ratiométrica se encuentran dentro de la sección encargada de detectar la presencia de gases. El principio básico de operación de la configuración ratiométrica se basa en la comparación de señales eléctricas, mediante razones o cocientes, provenientes de una misma fuente, la cual cumple la función de referencia. Dentro de la estructura del chip se cuenta con dos divisores de voltaje. La entrada de dichos divisores esta aislada de su salida mediante una configuración de amplificador operacional no inversor, la cual se muestra en la figura 1.2, la cual fue tomada de [2]. Aquí se puede observar como se realiza la conexión de los sensores poliméricos. Uno de estos sensores, Rp, responde a la presencia del gas, mientras se trata de hacer que el otro, Rpo, no reaccione a la presencia de este, Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 13 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema ya sea tratando que el material sea menos activo químicamente mediante un material inerte, o colocándolo en una trayectoria de flujo diferente. Mediante este método se cancelan muchas de las variaciones no deseadas que comúnmente se presentan en los circuitos sensores, como la dependencia a la temperatura y humedad y el envejecimiento del material, mediante la relación Rp/Rpo. Rp ⎞
⎛
Vo = ⎜1 +
⎟Vi
po
R
⎝
⎠
Figura 1.2 Conexión de los resistores poliméricos en configuración ratiométrica. Cuando el sistema es expuesto a la presencia de gases, la resistencia eléctrica del elemento polimérico activo cambia. El cambio en la resistencia del elemento se relaciona con su temperatura y la concentración del gas o mezcla de gases al que es expuesto, entre otras variables [3]. Algunas de estas dependen de material del elemento sensor, así como del método mediante el cual se transfiere el gas; los cuales son conocidos. La temperatura se puede controlar, hecho por el cual se puede conocer la concentración del gas. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 14 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema El ASIC ha sido probado con dos tipos de microsensores químico‐resistivos. En un caso, los elementos sensores Rp y Rpo fueron construidos mediante la deposición de una capa de polímero adicionado con nanopartículas de carbón negro sobre los electrodos de aluminio, lo cuales son recubiertos con oro para mejorar sus propiedades conductoras de electricidad. En una segunda generación, se adaptó el ASIC para operar con sensores basados en nanopartículas de oro, para estudios experimentales [4‐6]. Los electrodos son fabricados dentro de un proceso CMOS, con los pasos subsecuentes de deposición del material químico‐resistivo y recubrimiento pasivo complementando la fabricación, tanto de los sensores pasivos como activos. El comportamiento real de estos resistores no puede ser predicho de una manera precisa. Se sabe que la resistencia del microsensor variará en la presencia de gases, pero existen diversos factores que afectan dichas variaciones [7‐11], como pueden ser la temperatura, el envejecimiento del material, así como el voltaje aplicado. De hecho, el valor de la resistencia resultante en los dispositivos no se puede controlar fácilmente durante el proceso de deposición, así que existen diferencias significativas entre resistores fabricados en lotes aparentemente iguales. En consecuencia, la estructura del circuito sensor de gases fue diseñada para superar los problemas anteriormente mencionados. Primeramente, la configuración ratiométrica se utiliza para lograr por lo menos una cancelación parcial de estas variaciones. Aunado a esto, los sensores se excitan a través del uso de un sistema de conmutación en sus conexiones que también reduce dichos efectos. Finalmente, el circuito provee también la inteligencia requerida para conseguir la autocancelación del offset producido por la calibración del dispositivo. Como resultado, el circuito sensor de gases produce una señal de voltaje amplificada y filtrada proporcional al cambio de resistencia experimentado por uno de sus sensores, el cual se Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 15 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema encuentra expuesto a la presencia de gases, mientras que el otro resistor es usado como una referencia pasiva. En la parte superior de la figura 1.1, se puede apreciar que una señal de pulsos de voltaje sirve como referencia para un par de circuitos ratiométricos. El primero de estos es el circuito encargado de detectar la presencia de gases. Además de eliminar los efectos causados por los cambios de temperatura, humedad, y por envejecimiento, en los valores de resistencia originales, el circuito sensor también incorpora un sistema de polaridad alterna de los pulsos de referencia, no mostrado en la figura, con la finalidad de cancelar la tendencia a la aparición a largo plazo de problemas causados por el efecto de polarización. Dicho sistema posee unos interruptores que se encargan de alternar el voltaje en las terminales de Rp y Rpo, compensando cualquier efecto de polarización o tendencia asociada con la aplicación de un voltaje de CD al circuito. El segundo circuito en configuración ratiométrica, identificado en la figura 1.1 como circuito del offset, es usado para calibrar la señal de salida del circuito sensor en ausencia de circunstancias de exposición a la presencia de gases, compensando así las variaciones alrededor de la unidad en la razón de las resistencias poliméricas, ya que la resistencia del elemento activo, cuando no se encuentre bajo la exposición de gases, debería idealmente coincidir con la del elemento pasivo, por lo que la razón debiera ser uno. Esta señal desbalanceada se ajusta a través de un potenciómetro, Pot 1, conectado externamente. Las salidas de ambos circuitos ratiometricos son conectadas a las entradas de un amplificador de instrumentación en el cual cualquier diferencia entre las señales causará una señal de salida proporcional a la concentración del gas monitoreado. La amplitud de dicha señal se ajusta con la ayuda de otro potenciómetro externo, Pot 2, el cual es el encargado de ajustar la ganancia del amplificador. Finalmente, la señal amplificada se hace pasar por un filtro pasa‐bajas con respuesta tipo Bessel, el cual resulta ser el Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 16 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema más adecuado para remover los errores de conmutación producidos por la excitación en base a pulsos con que se alimenta el sistema. La segunda tarea principal que tiene que llevar a cabo el chip ASIC es el control de temperatura, el cual se encarga de mantener el sistema a la temperatura constante para la operación deseada. Se sabe que el no mantener la temperatura adecuada para las condiciones de operación deseadas puede afectar seriamente la respuesta de los sensores poliméricos [7‐11]. La parte inferior del diagrama del chip ASIC, mostrado en la figura 1.1 corresponde a la sección encargada de realizar las funciones de control y monitoreo de temperatura. Con la finalidad de mantener las condiciones óptimas de operación, un micro calentador controlado es colocado debajo de los electrodos de cada resistor polimérico. Un sensor de temperatura cierra el lazo de control produciendo una señal proporcional a la temperatura en el calentador. En este punto, un amplificador diferencial es el encargado de producir una señal de compensación proporcional a la diferencia de temperaturas entre el calentador y el punto de referencia, el cual es ajustado con la ayuda de un tercer potenciómetro externo, Pot 3. Esta señal de compensación es la encargada de controlar la corriente a través de los calentadores y, por consiguiente, de controlar la temperatura de los resistores poliméricos. Un sensor de temperatura adicional, cuya salida se envía a una etapa de amplificación, es utilizado para monitorear la temperatura ambiente del chip. Las salidas de todos los sensores de temperatura están disponibles externamente para el procesamiento posterior que resulte necesario. Este proceso se puede entender más fácilmente mediante el diagrama de bloques simplificado mostrado en la figura 1.3. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 17 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema Figura 1.3. Diagrama de bloques simplificado del circuito de control de temperatura. En este capítulo se han descrito en forma general la estructura y funcionamiento del circuito integrado de aplicación especifica utilizado para este proyecto. En el siguiente capítulo se describe con amplitud las características del sistema de control de temperatura, así como cada uno de sus componentes, con la finalidad de contar con la información necesaria para su caracterización. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 18 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema Referencias [1] Cole, M., Gardner, J.W., Lim, A.W.Y. and Bartlett, P.N. (2001). “Low‐drift odour and vapour ratiometric resistive elements for analogue CMOS smart sensors” en Stetter, J.R., Penrose, W.R. (Eds.), Proceedings of the Artificial Chemical Sensing: Olfaction and Electronic Nose, (ISOEN 2001), Vol. 15, The Electrochemical Society Inc., USA, pp. 117‐
120. [2] García‐Guzmán, J., Ulivieri, N., Cole, M. and Gardner, J.W. (2003). “Design and simulation of a smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, Sensors and Actuators B, 95, pp. 232–
243. [3] Cole, M., Ulivieri, N., García‐Guzmán, J. and Gardner, J.W. (2003). “Parametric model of a polymeric chemoresistor for use in smart sensor design and simulation”, Microelectronics Journal, 34, pp. 865‐875. [4] Krastera, N., Besnar, I., Guse, B., Bauer, R.E., Müllen, K., Yasuda, A. and Vossmeyer, T. (2002). “Self‐assembled gold nanoparticle/dendrimer composite films for vapor sensing applications”, Nano Letters, 2, No. 5 (2002), pp. 551 – 555. [5] Vossmeyer, T., Guse, B., Besnard, I., Bauer, R.E., Müllen, K. and Yasuda, A. (2002). “Gold nanoparticle polyphenylene dendrimer composite films: preparation and vapor‐sensing properties”, Advanced Materials, 14, No. 3, pp. 238 – 242. [6] Khawaja, J.E., Cole, M., García‐Guzmán, J. and Gardner, J.W. (2006). “Gold nanoparticle CMOS sensor for VOC detection” Eurosensors XX Book of Abstracts, Götemborg, Sweden, 2006, pp. 142 – 143. [7] Cole, M., Gardner, J.W., Covington, J.A., Fife, D., Kwok, C.Y., Brignell, J.E. and Bartlett, P.N. (2000). “Active bridge polymeric resistive device for vapour sensing”, Eurosensors XIV, W2P41, (Bio)chem. Sens. III, pp. 895–898. [8] Gardner, J.W., Vidic, M., Ingleby, p., Pike, A.C., Brignell, J.E., Scivier, P., Bartlett, P.N., Duke, A.J. and Elliot, J.M. (1998). “Response of a poly(pyrrole) resistive micro‐bridge to ethanol vapour”, Sensors and Actuators B, 48, pp. 289 – 295. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 19 Capítulo 1. Descripción del ASIC y ubicación del sistema [9] Cole, M., Gardner, J.W., Lim, A.W.Y., Scivier, P.K. and Brignell, J.E. (1999). “Polymeric resistive bridge gas sensor array driven by a standard cell CMOS current drive chip”, Sensors and Actuators B, 58, pp. 518 – 525. [10] Bruschi, P., Nannini, A. and Neri, B. (1995), “Vapour and gas sensing by noise measurements on polymeric balanced bridge microstructures”, Sensors and Actuators B, 24–25, pp. 429‐
432. [11] Hattfield, J.V., Neaves, P., Hicks, P.J., Persaud, K. and Travers, P. (1994). “Towards an integrated electronic nose using conducting polymer sensors”, Sensors and Actuators B, 18–19, pp. 221 – 228. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 20 Capítulo II
Capítulo 2. Sistema De Control De Temperatura
Una de las principales tareas a realizar por el chip ASIC es el control de temperatura del sistema, con el que se busca conseguir la correcta operación de los sensores poliméricos, debido a que se desea que dichos sensores operen a una temperatura constante, superior a la temperatura ambiente. Para conseguirlo, el chip cuenta con un calentador resistivo colocado por debajo de los electrodos de cada uno de los sensores poliméricos; la temperatura de los calentadores es medida por medio de sensores de temperatura para establecer un lazo de control proporcional, mediante el cual se busca cumplir con el adecuado de control de la temperatura en los principales puntos del sistema. El circuito para el control de temperatura dentro del diseño del chip ASIC resulta ser de gran importancia debido a que los cambios en la temperatura afectan la respuesta de los sistemas sensores de gases basados en resistores poliméricos, tal como se reporta en diversos trabajos de investigación [1‐4]. La compensación desde el interior del chip, de las variaciones de temperatura, resulta ser una notable característica en este ASIC, debido a las ventajas que esto representa al momento de utilizarse para el desarrollo de sistemas portátiles de detección de gases. Esto se debe a que, al contar con dicha prestación, le es posible compensar los cambios en la temperatura ambiente en todo momento, agregando versatilidad al diseño. Otros efectos indeseados que comúnmente se presentan en este tipo de circuitos son eliminados debido a la configuración ratiométrica utilizada. Esta cancelación ocurre directamente cuando los dos microsensores están fabricados del mismo material. Al utilizar elementos sensores de diferentes materiales, la dependencia a los cambios de temperatura será diferente para cada Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 22 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura uno de los materiales utilizados como sensor y estas variaciones pueden cambiar la respuesta del chip ASIC de una manera importante; los errores se compensan, pero se requiere caracterizar la respuesta de la combinación de materiales [5]. En estos casos, resulta de gran utilidad poder operar a temperatura controlada. Dado que el chip es, en teoría, utilizable con cualquier tipo de nanomaterial que varíe su resistencia debido a cambios químicos, el tener la posibilidad de controlar su temperatura desde el interior expande las posibilidades de operación a diversas temperaturas fijas. En la figura 2.1 se muestra el diagrama de bloques del sistema de control de temperatura, en el cual se pueden distinguir las distintas interrelaciones existentes entre las dos secciones idénticas de bloques funcionales del sistema. El bloque llamado BIAS_2 es el encargado de suministrar la corriente de polarización a los compontes que así lo requieren. Figura 2.1. Diagrama de bloques de la sección del control de temperatura. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 23 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura El diagrama esquemático simplificado del circuito de control de temperatura se muestra en la figura 2.2, obtenido de [6]. En él se pueden observar las interrelaciones existentes entre los componentes que integran dicho circuito. Figura 2.2. Diagrama esquemático simplificado del circuito de control de temperatura. El bloque sensor de temperatura, mostrado en la figura 2.1, es el encargado de detectar la temperatura a la que operan los sensores de gases. Dicha función la cumple un termodiodo, al cual se le suministra una corriente constante para que, al variar la temperatura, éste varíe su voltaje. El voltaje producido por el termodiodo es comparado dentro del bloque del circuito compensador con el punto de ajuste de temperatura, el cual proporciona una temperatura de referencia, que se ajusta mediante un potenciómetro externo, Pot 3. En cada bloque compensador, un amplificador operacional es el encargado de comparar la referencia con la señal del sensor de temperatura, lo que producirá una señal de compensación proporcional a la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 24 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura diferencia entre dichas señales. El mismo punto de ajuste sirve como referencia tanto para el control de temperatura del sensor polimérico activo como para el pasivo. El circuito suministrador de corriente es el encargado de suministrar la corriente adecuada al calentador para regular la temperatura de los resistores poliméricos. Dicho circuito recibe la señal producida por el circuito compensador y, a través de un transistor de efecto de campo, aplica la corriente controlada necesaria para que el calentador produzca la temperatura correcta para la operación del chip ASIC. Para comprender mejor el funcionamiento del sistema de control de temperatura, cada uno de sus componentes será descrito en las secciones subsecuentes de este capítulo. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 25 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura 2.1 Sensores de temperatura Como se mencionó al inicio de este capítulo, la temperatura de los resistores poliméricos es controlada por la acción de los calentadores colocados por debajo de ellos y de la señal de retroalimentación obtenida a través de los sensores de temperatura colocados cerca de estos. Existen diferentes tipos de sensores de temperatura que pueden ser utilizados dentro de dispositivos en la escala de las millonésimas de metro [7‐8]; estos son microsistemas electromecánicos – MEMS por sus siglas en inglés – que funcionan de manera análoga a sus similares de mayor tamaño, aunque consideran las modificaciones en el comportamiento debidas a la escala. El sensor apropiado para la aplicación que se desee desarrollar depende del rango de temperatura a medirse y la precisión requerida, sin dejar de considerar los costos que su fabricación implica. Un diodo polarizado directamente se usó como elemento sensor en el desarrollo del chip en estudio. Este diodo es alimentado por una corriente de referencia, la cual es obtenida de una de las salidas de las celdas de polarización; la corriente constante circula a través del diodo y el voltaje a través de este es medido como indicación de la temperatura a la que se encuentra el sistema. En la figura 2.3, la corriente constante proveniente de la fuente fluye a través de la terminal Vts hacia el diodo. El voltaje en esa misma terminal corresponde a la temperatura de operación medida. La salida del termodiodo es conectada a una de las entradas del amplificador diferencial en el bloque del circuito compensador en la siguiente etapa. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 26 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura Figura 2.3. Sensor de Temperatura. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 27 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura 2.2 Circuito del punto de ajuste de temperatura Se utiliza un voltaje de referencia constante para establecer el punto de ajuste de temperatura. En el circuito mostrado en la figura 2.4 la salida de voltaje de referencia, Vref, transmitida por un seguidor de voltaje, es aplicada a un divisor de tensión resistivo, en el cual el segundo resistor es el potenciómetro externo Pot 3. Este se encuentra conectado entre el pin de salida y tierra, como se muestra en la figura del circuito. Ajustando la resistencia del potenciómetro, ya sea analógico o digital, la salida del circuito puede ser regulada a la magnitud adecuada. Figura 2.4. Circuito de ajuste de temperatura. El voltaje de salida en la terminal Vsp de la figura 2.4 se usa como referencia para la entrada de dos circuitos idénticos encargados de controlar la temperatura de operación de los sensores poliméricos tal como se puede apreciar en la figura 2.5. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 28 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura Figura 2.5. Diagrama de referencia para el punto de ajuste de temperatura. El divisor de voltaje esta compuesto por un par de resistores. El resistor interno, Rinterna, mostrado en la figura 2.4, fue fijado en la etapa de diseño a un valor de Rtr1= 10 KΩ [9]. Los límites en el rango de trabajo para el segundo resistor, Pot3, fueron estimados suponiendo que los termodiodos operarán en un rango de 330 a 605 mV para temperaturas entre 120°C y 10°C [9]. Los valores límite aproximados de la resistencia requerida en el potenciómetro son obtenidos de las ecuaciones características de los divisores de voltaje, como se muestra a continuación: 0.605
1.209 0.605
10°
0.330
1.209 0.330
120°
0.605 10 Ω
0.604
0.330 10 Ω
0.879
10.02 Ω 3.75 Ω Por lo tanto, el potenciómetro requerido debe poder variar la magnitud de su resistencia entre estos valores, para el control del punto de ajuste de temperatura en un rango entre 10°C y 120°C. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 29 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura 2.3 Circuito compensador Un amplificador operacional es el encargado de compensar el error entre la señal empleada como referencia de temperatura y la señal producida por cada uno de los diodos sensores. Esto se debe a que el amplificador conectado en configuración diferencial producirá una señal proporcional a la diferencia de dichas señales de entrada. En general, las señales producidas por cualquier sensor de temperatura son bastante pequeñas, por lo que el cambio en algunos grados en la temperatura a monitorear causará que el respectivo voltaje generado por el sensor también cambie sólo en algunos cuantos microvoltios; este será el rango de salida del sensor. Al encontrarse dentro de un rango de salida tan pequeño, se puede producir la perdida de resolución de la temperatura medida [10]. Debido a esto, es importante resaltar la importancia de la ganancia producida por el amplificador operacional. Una ganancia muy alta en el sistema puede volverlo inestable, en contraste, si la ganancia es baja resulta en una respuesta de salida pequeña respecto a un error de entrada grande. Esto significa que si la ganancia es muy baja, la acción de control podría resultar muy pequeña al responder a las perturbaciones del sistema. El amplificador del circuito compensador está diseñado para tener una ganancia que resulta adecuada para el rango de temperaturas a ser medido, por lo que su respuesta es lo suficientemente rápida y estable, haciendo innecesario agregar componentes de tipo derivativo e incluso integral al circuito. El circuito compensador se muestra en la figura 2.6. Se puede observar que en las entradas del amplificador operacional se usan seguidores de voltaje que toman las señales desde el punto Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 30 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura de referencia desde la salida del sensor de temperatura. La diferencia de estas señales aparece amplificada en la terminal de salida Vcomp. Figura 2.6. Vista esquemática del circuito compensador de temperatura. El valor de la ganancia del amplificador diferencial requerida por el calentador es de gran importancia para elevar la temperatura de los sensores poliméricos dentro del rango de temperatura deseado. La ganancia del amplificador fue determinada considerando que la máxima temperatura de operación a la que el chip puede operar sería 100°C [9]. Debido a que, en el momento de realizarse el diseño del chip ASIC, no se contaba con información previa acerca del comportamiento del calentador, esta fue estimada basándose únicamente en reportes de calentadores con características similares [11], los cuales indicaban que una potencia de 80mW era requerida para producir una temperatura de operación de 100°C. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 31 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura El calentador fue diseñado con un valor de resistencia de 50Ω. Para que este disipe una potencia, P, de 80mW se precisa un voltaje: √
50Ω
80
2 . Esto quiere decir que la corriente requerida para alcanzar una temperatura de 100°C será : 80
2
40
. El circuito compensador debe ser capaz de producir una ganancia suficiente para elevar la temperatura de 20°C a 100°C. En el momento de su diseño, se consideraron el comportamiento esperado del termodiodo y simulaciones hechas con anterioridad, en las que el voltaje del diodo variaba entre 580mv y 380mV para 20° y 100° respectivamente [9]. A partir de esto, la ganancia del amplificador está dada por: 2
580
380
10 Al seleccionar Rsp1=Rts1=1kΩ y Rsp2=Rts2=10kΩ, la ganancia del amplificador diferencial se ajusta al valor requerido para producir la señal de compensación necesaria. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 32 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura 2.4 Circuito suministrador de corriente Este circuito dentro del sistema de control de temperatura, es el encargado de dirigir la corriente a través del calentador resistivo para aumentar la temperatura de los sensores poliméricos. La figura 2.7 muestra el diagrama del circuito suministrador de corriente. Se puede apreciar que la corriente es aplicada al calentador a través de un transistor de efecto de campo, FET, de baja resistencia. Los FETs tienen coeficientes de temperatura positivos, por lo que al incrementarse la temperatura del dispositivo, la resistencia se incrementa. Esto significa que al operar a mayor temperatura resultan corrientes más pequeñas a través de ellos. Lo que en la figura 2.7 se muestra como un solo FET encargado de entregar la corriente al calentador resistivo consiste de un arreglo en paralelo de cuatro celdas estándar de FETs [9]. Se utiliza este tipo de configuración ya que los coeficientes positivos de temperatura reducen la corriente en los dispositivos más calientes y fuerzan más de ella hacia los más fríos, evitando sobrecalentamientos [12]. Aunado a esto, el arreglo de las celdas de transistores en paralelo permite un flujo mucho mayor de corriente hacia el calentador ya que reduce la resistencia de los FETs; la cual pudiera ser muy grande al compararse con la resistencia del calentador. Un amplificador operacional controla las compuertas del arreglo de FETs y la señal proveniente de la terminal de salida Vcomp del circuito anterior es transmitida al calentador, el cual debe de estar conectado a la terminal Iheater. El capacitor y el par de resistores, que se muestran en el esquema de la figura 2.7, forman una red de compensación que se encarga de evitar inestabilidad en las entradas del los FETs, las cuales pueden ser altamente capacitivas. El circuito fue adaptado de un boletín de aplicación [13], Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 33 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura pero fue recalculado para poder mantener las mismas constantes de tiempo al ajustar el tamaño del capacitor y los resistores a las dimensiones deseadas del ASIC. Figura 2.7. Vista esquemática del circuito suministrador de corriente. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 34 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura 2.5 Calentadores resistivos Los calentadores resistivos, construidos en la primera capa metálica del ASIC, están colocados bajo los electrodos de los resistores poliméricos que fungen como elementos de detección y monitoreo de gases dentro de la estructura completa del chip, con el propósito de producir la temperatura requerida para la operación de dichos sensores de gases. La resistencia eléctrica de cada calentador resistivo es de 50Ω, según el diseño original del microchip [9]. Esquemáticamente, el calentador es representado únicamente por un resistor de 50Ω, el cual se encuentra conectado a la salida del circuito de corriente, de donde se alimenta. Desde la terminal Iheater, mostrada en las figuras 2.7 y 2.8, fluye la corriente hacia el resistor; éste se encarga de disipar la energía en forma de calor con lo que el sensor polimérico alcanza la temperatura de operación requerida. La pista resistiva que conforma el calentador fue diseñada para colocarse por debajo de los electrodos detectores de gases, con el termodiodo cumpliendo la función de elemento sensor a la mitad del espacio existente entre los electrodos. Figura 2.8. Vista esquemática del calentador resistivo. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 35 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura Referencias [1] Cole, M., Gardner, J.W., Covington, J.A., Fife, D., Kwok, C.Y., Brignell, J.E. and Bartlett, P.N. (2000). “Active bridge polymeric resistive device for vapour sensing”, Eurosensors XIV, W2P41, (Bio)chem. Sens. III, pp. 895–898. [2] Gardner, J.W., Vidic, M., Ingleby, p., Pike, A.C., Brignell, J.E., Scivier, P., Bartlett, P.N., Duke, A.J. and Elliot, J.M. (1998). “Response of a poly(pyrrole) resistive micro‐bridge to ethanol vapour”, Sensors and Actuators B, 48, pp. 289 – 295. [3] Cole, M., Gardner, J.W., Lim, A.W.Y., Scivier, P.K. and Brignell, J.E. (1999). “Polymeric resistive bridge gas sensor array driven by a standard cell CMOS current drive chip”, Sensors and Actuators B, 58, pp. 518 – 525. [4] Gardner, J.W., Cole, M. and Udrea, F. (2002). “CMOS gas sensors and smart devices”, Proceedings of the Fist IEEE International Conference on Sensors, Orlando, Florida, USA, 1, pp. 721 – 726. [5] Khawaja, J.E., Cole, M., García‐Guzmán, J. and Gardner, J.W. (2006). “Gold nanoparticle CMOS sensor for VOC detection” Eurosensors XX Book of Abstracts, Götemborg, Sweden, 2006, pp. 142 – 143. [6] García‐Guzmán, J., Ulivieri, N., Cole, M. and Gardner, J.W. (2003). “Design and simulation of a smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, Sensors and Actuators B, 95, pp. 232–
243. [7] Suman, S., Gaitan, S., Joshi, Y. and Harman, G. (2001). “Wire Bond Temperature Sensor”, IMAPS International Symposium on Microelectronics, Baltimore, USA, pp. 344‐349. [8] Robertson, J., Ytterdal, T., Peatman, W.C.B., Tsai, R.S., Brown, E.R. and Shur, M. (1997). “RTD/2‐
D MESFET logic element for compact, ultra‐low‐power electronics Electron Devices”, IEEE Transactions, Volume 44, Issue 7, pp. 1033 – 1039. [9] García‐Guzmán, J. (2005). “Smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, PhD Thesis, Department of Engineering, University of Warwick, UK. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 36 Capítulo 2. Sistema de control de temperatura [10] McCarthy, M. and Dillon, E. (2006). “ADC Requirements for Temperature Measurement Systems”, Analog Devices Application Note, Norwood MA, USA. [11] Cardinalli, G.C., Dori, L., Fiorini, M., Sayago, I., Faglia, G., Perego, C., Sberveglieri, G., Liberali, V., Maloberti, F. and Tonietto, D. (1997). “A smart sensor system for carbon monoxide detection”, Analog integrated circuits and signal processing, 14, No. 3, pp. 275 – 296. [12] Ball, A. (2005). “Thermal Stability of MOSFETs” Semiconductor Components Industries, Phoenix AZ, USA. [13] Stitt, R.M. (1990), “Implementation and applications of current sources and current receivers”, Burr‐Brown Application Bulletin, Tucson AZ, USA. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 37 Capítulo III
Capítulo 3. Descripción Física de Componentes
En el presente capítulo se describen algunas características de los componentes clave para la operación del sistema de control de temperatura. Este influye directamente en la operación del sistema de detección de la presencia de gases, debido a que la respuesta de los sensores químico‐
resistivos se vería afectada al no operar bajo condiciones de temperatura constante. La variación de la resistencia de los sensores en la presencia de un gas se puede modelar a partir de la siguiente ecuación, tal como se describe en [1]: · 1
donde R0 es la resistencia del sensor que se toma como base, medida en la presencia de un gas de referencia, el cual es generalmente aire; k es un coeficiente de sensibilidad, C es la concentración del gas expresada en ppm, γ es el exponente de baja potencia, KS es el coeficiente de temperatura y T es la temperatura en grados Kelvin. El coeficiente de sensibilidad puede ser positivo o negativo dependiendo de la naturaleza del gas y del polímero usado produciendo un incremento o decremento en la resistencia del sensor después de introducir el gas [1]. Por consiguiente, al incrementarse la temperatura se produce una reducción en la resistencia del sensor, cuando KS es positivo. Al producirse variaciones en el valor de la resistencia de los sensores debido a cambios en la temperatura se agregan variables al momento de determinar la concentración del gas, complicando dicha tarea. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 39 Capítulo 3. Descripción física de componentes Debido a que los sensores de gases son una parte vital dentro del sistema principal, también se mencionarán algunas de sus características físicas. Entre las características que serán descritas para dichos componentes principales, tanto del sistema de control de temperatura como para el sistema de detección de gases, se encuentran sus dimensiones, geometría, ubicación dentro de la estructura física del chip, materiales de fabricación, así como valores reales de algunos de los componentes y su comparación respecto a sus valores de diseño. Al igual que en todos los circuitos integrados, los componentes de este chip se distribuyen en capas de distintas características. El número de capas, su grosor, así como la ubicación de los componentes en cada una de estas, depende del proceso de fabricación utilizado. Una secuencia de fabricación CMOS con compuertas de polisilicio consiste en nueve operaciones de enmascarado. Normalmente se utiliza un sustrato tipo P como material inicial, dopado con tanto boro como sea posible. El primer paso requerido para fabricar una oblea de silicio terminada consiste en el crecimiento de una capa epitaxial de material tipo P ligeramente dopado; los transistores de canal N (NMOS) se forman directamente en esta capa. Después de generar térmicamente una capa de óxido de silicio, una capa de photoresist2 es agregada uniformemente; ésta se modela sobre la oblea al exponerse a luz ultravioleta usando una máscara. Ahora se abren ventanas por medio de un proceso de etching3. A este proceso se le conoce como fotolitografía. A través de las ventanas se deposita una dosis controlada de fosforo. Una exposición prolongada a alta temperatura crea una región profunda ligeramente dopada 2
Polímero líquido fotosensible, el cual se vuelve insoluble tras exponerse a la luz ultravioleta. Etching es un proceso de grabado de un patrón sobre metal o alguna otra superficie por medio de un ácido. 3
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 40 Capítulo 3. Descripción física de componentes llamada Nwell. La exposición térmica durante el proceso cubre el silicio expuesto con una delgada capa de óxido. Los transistores de canal P (PMOS) se forman en la región Nwell. Una capa gruesa de óxido se hace crecer de manera selectiva, definiendo las zonas activas por medio de fotolitografía. En éstas se hace crecer otra capa de óxido, ahora delgada. Esta capa delgada de óxido formará el dieléctrico de los transistores y también cubre las regiones en las se encontrarán la fuente y el drenador. El siguiente paso consiste en la deposición de la capa de polisilicio para formar la compuerta. Nuevamente, por fotolitografía, se eliminan los excesos para obtener el patrón deseado. Esta nueva capa actúa como si fuera mascara que alinea las inserciones que forman la fuente y el drenador, tanto para los transistores NMOS como para los PMOS. La inserción del material tipo N para la fuente y el drenador (NSD4) comienza con la eliminación del óxido donde se desea depositar este material mediante fotolitografía. Poco profundas, se insertan regiones altamente dopadas del material. El proceso análogo se repite para la inserción del material tipo P (PSD5). Las inserciones de NSD o PSD se pueden llevar a cabo una antes que la otra de manera indistinta. Después de que la oblea es nuevamente cubierta con photoresist, las regiones de los contactos son modeladas usando una nueva mascara. Se realizan aberturas en la capa de polisilicio para permitir el contacto con los electrodos de la compuerta. Una delgada capa de metal refractario salpicada sobre la oblea precede a una capa mucho más gruesa de aluminio dopado con cobre. Se utiliza fotolitografía nuevamente para modelar lo que será la primera capa metálica. La mayoría de los procesos incluyen una segunda capa 4
5
NSD – N‐type source/drain PSD – P‐type source/drain Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 41 Capítulo 3. Descripción física de componentes metálica. En tal proceso, una segunda capa de óxido se deposita sobre el primer patrón metálico, aislándola del segundo patrón metálico. Una capa protectora se deposita sobre la última capa metálica, con la finalidad de brindar protección mecánica y prevenir contaminación. Después de cubrir con photoresist, la oblea es modelada usando una nueva mascara. Se remueve la capa protectora sobre las áreas deseadas de la capa metálica para permitir el contacto con el circuito integrado. Este es el paso final del proceso de fabricación. El chip se diseñó de acuerdo a las especificaciones de la tecnología de fabricación CMOS Alcatel Microelectronics 0.7 µm [2], actualmente conocida como Alcatel‐ Mietec 0.7 µm. Toda la información presentada en este capítulo se basa en el trabajo de investigación de García Guzmán [3], acerca del diseño del chip, así como sobre mediciones experimentales realizadas en los circuitos una vez fabricados. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 42 Capítulo 3. Descripción física de componentes 3.1 Electrodos Los electrodos, fabricados en la segunda capa metálica del chip ASIC, tienen una forma cuadrada con 96 µm por lado. Cada par de electrodos presenta un espacio de 80 µm entre ellos, con lo que se busca conseguir un valor de resistencia de aproximadamente 10 kΩ al aplicar capas de compuestos poliméricos de carbón negro. De acuerdo a García Guzmán [3], en el momento de su fabricación, se realizaron aberturas sobrepuestas de 76 µm x 76 µm por encima de la capa Metal2 para la deposición de los materiales sensores, en un paso posterior al proceso CMOS, alterando intencionalmente las reglas de diseño, pero aun así siguiendo el proceso estándar de fabricación CMOS. De cualquier forma, aunque se le dio un cuidado especial a la geometría de los electrodos, la resistencia real de los sensores es difícil de controlar debido a variaciones en el grosor y la forma de la capa del polímero conductor y a la carga exacta de carbón negro en el proceso de deposición semiautomatizado. Los electrodos pueden observarse en la región de los elementos sensores, mostrada en la figura 3.1 [3]. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 43 Capítulo 3. Descripción física de componentes Calentador de Aluminio 80 µM Electrodos (96 µM x96µM) Termodiodo Figura 3.1. Vista del área de los sensores y el calentador. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 44 Capítulo 3. Descripción física de componentes 3.2 Calentadores El valor de un resistor puede ser calculado de acuerdo a sus dimensiones y a su composición. La resistencia eléctrica de un material depende de su longitud L, ancho W, espesor t y resistividad ; siguiendo la relación: Debido a que los resistores presentes en circuitos integrados pueden ser considerados de un espesor constante, generalmente se combinan resistividad y espesor en un solo término, llamado resistencia por hoja RS. Los calentadores son construidos debajo de los electrodos, en la primera capa metálica, compuesta de aluminio, la cual, en el proceso usado, tiene una resistencia por hoja de 50 mΩ por cuadro. Los calentadores de la figura 3.1 están construidos en forma de serpentina metálica con un ancho de 4 µm y aproximadamente 4000 µm de longitud. El espaciamiento entre cada una de los segmentos de la serpentina es de 3 µm. La corriente no fluye de manera uniforme en las vueltas que presenta la serpentina, por lo que cada esquina cuadrada agrega aproximadamente 0.56 cuadros [4]. La resistencia de un resistor metálico puede ser calculada a partir de la relación: 0.56
Debido a que el calentador tiene n = 68 esquinas, su resistencia se calcula con la siguiente relación: 50 mΩ⁄sq
4000μm
4μm
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 0.56
68
50
4000
4
38.08
52Ω 45 Capítulo 3. Descripción física de componentes Debido a que los valores de los resistores metálicos dependen principalmente de su espesor y a que la mayoría de los procesos de fabricación experimentan variaciones del ±20% en el espesor de capas metálicas, se puede esperar una variación similar en la resistencia por hoja [4]. Esto indica que el valor de la resistencia real del calentador puede variar entre 62.4Ω y 41.6Ω. En el centro del calentador se cuenta con una abertura en la cual se ubica un termodiodo, tal como se muestra en la figura 3.1. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 46 Capítulo 3. Descripción física de componentes 3.3 Elemento Sensor Como se mencionó en capítulos anteriores, el tipo de elemento sensor encargado de detectar los cambios en la temperatura, tanto del sistema como de los sensores de gases, es un termodiodo. Los termodiodos son colocados en el centro de la región donde se encuentran los calentadores para así medir la temperatura a la que se encuentran los sensores de gases, justo en medio de los electrodos. La figura 3.2, obtenida de [3], muestra las dimensiones del diodo, tal como fue diseñado para su uso dentro del chip ASIC, usando la unión entre la región de difusión P+ y la región Nwell, el cual se encuentra polarizado directamente para así poder medir el voltaje del ánodo respecto a tierra. Estos termodiodos, además de ser usados en las áreas de los sensores de gases, como se muestra en la figura 3.1, también son empleados para el monitoreo de la temperatura en el centro del chip ASIC, para obtener una medida de la temperatura de el sistema completo. P+ NWELL µm Figura 3.2. Detalle del diseño del termodiodo especialmente diseñado para el chip. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 47 Capítulo 3. Descripción física de componentes 3.4 Resistores Así como se menciono para los resistores metálicos, se sabe que los resistores de material tipo Nwell presentan variaciones en el valor de resistencia real respecto al valor fijado en la etapa de diseño [4]. No obstante, al momento de probar el dispositivo fabricado, no es posible medir directamente los valores de todos los resistores, debido a que no todas las terminales se encuentran disponibles externamente para realizar dichas pruebas. García Guzmán [3] indica que, para estimar los valores reales de resistencia en cada uno de los resistores en el chip ya fabricado, realizó mediciones indirectas en las diversas secciones del sistema de control de temperatura. En los resultados obtenidos de dichas mediciones observó que, en el circuito compensador, las posibles variaciones en sus resistores no afectaron su ganancia, la cual fue calculada midiendo los voltajes a la salida y a la entrada del circuito. Debido a que es poco probable que los resistores no hayan variado sus valores de resistencia respecto a los de diseño, el tener el valor de ganancia deseado sugiere que las variaciones en la resistencia ocurrieron en un porcentaje constante y por esto se han cancelado a causa de la relación proporcional existente entre las resistencias del circuito. En el circuito encargado del suministro de la corriente hacia el calentador, la variación en la resistencia de sus dos resistores pudo haber modificado la respuesta transitoria y es posible que un ligero efecto capacitivo pudiera aparecer en la entrada del FET. Aunado a esto, es posible que exista algún error en el diseño en este circuito, por lo que tal vez la corriente que entrega al calentador no sea suficiente para compensar las variaciones de temperatura, lo cual podría ser aun más significativo que la variación ocurrida en sus resistencias. El circuito de donde se obtiene el punto de ajuste de temperatura también se ve afectado por los cambios en el resistor interno Rt1, pero dichos cambios pueden ser compensados mediante Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 48 Capítulo 3. Descripción física de componentes el potenciómetro externo Rt2. El resistor interno, el cual fue diseñado para tener una resistencia de 10 kΩ, como se mencionó en el capítulo anterior, resultó tener una resistencia de alrededor de 16kΩ en los chips fabricados, según lo indican las mediciones indirectas realizadas en [3]. De ser correcto este valor de la resistencia interna, el uso de un potenciómetro con un rango de entre 0 y 20 kΩ para Rt2 permite la compensación de esa diferencia a través del divisor de voltaje y así la referencia para la temperatura puede aun ser ajustada a cualquier valor deseado dentro del rango de operación del chip ASIC. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 49 Capítulo 3. Descripción física de componentes 3.5 Empaque El chip ASIC se encuentra albergado en un empaque cerámico tipo PGA6 de 68 pines, como el que se muestra en la figura 3.3 (a). (a) (b) Figura 3.3. (a) Empaque cerámico de 68 pines en el que se encuentra el chip ASIC; (b) conexiones entre el chip y el empaque. De este empaque sólo fueron utilizadas algunas de sus terminales, un número de estas terminales fueron usadas para mandar información a procesos de procesamiento posteriores y otras quedaron disponibles para realizar pruebas al dispositivo. La Tabla 3.1, obtenida de [3], lista los pines del empaque utilizados, así como su nombre en el chip ASIC y su descripción. 6
PGA ‐ Pin Grid Array Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 50 Capítulo 3. Descripción física de componentes No. Nombre Descripción 5 VSSA (TIERRA) Para conectarse a 0 VCD, tierra analógica 7 VSENSOR Voltaje a la salida del sensor ratiométrico 8 VCOMP_A Salida del circuito compensador (resistor activo) 10 RACT_PLUS_RETURN Punto de retorno dela terminal “positiva” del resistor activo 12 HEATER_A Terminal de entrada del calentador debajo el resistor activo 13 VDRIVE_A Salida del circuito suministrador de corriente (resistor activo) 14 RACT_MINUS Terminal “negativa” del resistor activo 22 RACT_PLUS Terminal “positiva” del resistor activo 23 TEMP_HEATER_A Salida del sensor de temperatura cercano al resistor activo 24 RACT_MINUS_RETURN Punto de retorno dela terminal “negativa” del resistor activo 25 RTR2 Terminal para el resistor externo para la referencia de temperatura 26 VSP Terminal de entrada/retorno del punto de ajuste de temperatura 27 VPULSES Entrada de los pulsos de voltaje de referencia 28 VREF Salida del voltaje de referencia 29 TEMP_DIODE_IN Terminal del ánodo del termodiodo 30 VOUT Voltaje de salida de la sección del sensor después de amplificar y filtrar
31 VAMP Salida del amplificador de instrumentación 39 VDDA Alimentación de voltaje, conectarse a +5 VCD 41 VCOMP_P Salida del circuito compensador (resistor pasivo) 43 RPAS_PLUS_RETURN Punto de retorno dela terminal “positiva” del resistor pasivo 45 HEATER_P Terminal de entrada del calentador debajo el resistor pasivo 47 VDRIVE_P Salida del circuito suministrador de corriente (resistor pasivo) 48 RPAS_MINUS Terminal “negativa” del resistor pasivo 56 RPAS_PLUS Terminal “positiva” del resistor pasivo 57 TEMP_HEATER_P Salida del sensor de temperatura cercano al resistor pasivo 58 RPAS_MINUS_RETURN Punto de retorno dela terminal “negativa” del resistor pasivo 59 RGAIN2 Salida a la terminal 2 del potenciómetro para el ajuste de la ganancia 60 ROFF_EXT Terminal para el potenciómetro externo del circuito del offset 61 VOFFSET Voltaje de salida del circuito del offset 62 RGAIN1 Salida a la terminal 1 del potenciómetro para el ajuste de la ganancia 63 VGATES Entrada de los pulsos para las compuertas de los interruptores 64 TEMP_DIODE_OUT Terminal de la fuente de voltaje y la entrada al amplificador 65 TEMP_ASIC Salida del amplificador del termodiodo Tabla 3.1. Lista completa de los pines del chip ASIC y del empaque cerámico. En las figuras 3.4 (a) y 3.4 (b), obtenidas de [5], se muestran las dimensiones típicas de uno de los empaques cerámicos PGA de 68 pines comúnmente usados, el cual tiene una forma cuadrada con 29.21 mm por lado; así como la forma en la que se encuentran distribuidos los pines en la parte inferior de este. En figura 3.4 (c) se muestra que existe una distancia típica de separación de 2.54 mm entre ellos. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 51 Capítulo 3. Descripción física de componentes (a) (b) (c) Figura 3. 4. Dimensiones en milímetros y en (pulgadas) del empaque cerámico. (a)Vista superior; (b) vista inferior; (c) vista lateral. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 52 Capítulo 3. Descripción física de componentes Referencias [1] Cole, M., Ulivieri, N., García‐Guzmán, J. and Gardner, J.W. (2003). “Parametric model of a polymeric chemoresistor for use in smart sensor design and simulation”, Microelectronics Journal, 34, pp. 865‐875. [2] García‐Guzmán, J., Ulivieri, N., Cole, M. and Gardner, J.W. (2003). “Design and simulation of a smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, Sensors and Actuators B, 95, pp. 232–
243. [3] García‐Guzmán, J. (2005). “Smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, PhD Thesis, Department of Engineering, University of Warwick, UK. [4] Hastings, A. (2001) The Art of Analog Layout, Prentice‐Hall, Inc., Upper Saddle River NJ, USA, p. 177. [5] Disponible en “www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fma/pdfmcu/p68ca01.pdf” el 12 de septiembre de 2009. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 53 Capítulo IV
Capítulo 4. Simulaciones
Nuevas simulaciones del sistema de control de temperatura fueron realizadas para el presente trabajo, con la intención de tener una nueva base de comparación del comportamiento del sistema al realizar futuras mediciones. Estas simulaciones se realizaron en OrCAD PSpice; los componentes seleccionados para realizarlas se encuentran disponibles dentro de las bibliotecas estándar del programa, sin ser representaciones particulares de los componentes utilizados en el chip. Por consiguiente, las simulaciones presentadas en este capítulo no representan de manera exacta cada unas de las partes del circuito de control de temperatura. Sin embargo, dichas simulaciones dan una idea aproximada del comportamiento de cada uno de sus componentes, por lo que pueden ser tomadas como referencia al analizar la respuesta del chip ya fabricado. En la figura 4.1 se muestra el diagrama esquemático del sistema, a partir del cual se realizaron las simulaciones. Figura 4.1. Diagrama esquemático del sistema de control de temperatura. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 55 Capítulo 4. Simulaciones 4.1 Termodiodo El voltaje en las terminales de un diodo en polarización directa es una función de la temperatura. Para determinar esta relación, se aplica una corriente constante de 5 µA al diodo y se obtiene una medida de esta variación proporcional. La figura 4.2 muestra la gráfica del voltaje en la terminal Vts, resultante de la simulación realizada con el circuito de la figura 4.1, al variar la temperatura en el rango entre 20°C y 120°C. Se puede observar como el voltaje disminuye conforme la temperatura se incrementa, es decir la pendiente es negativa, la cual se puede obtener con la siguiente relación: 0
0
390
600
120
20
2.1 esto indica que el coeficiente de temperatura tiene un valor de – 2.1mV/°C. El coeficiente de temperatura obtenido de acuerdo los voltajes tomados como referencia por García Guzmán [1] es de – 2.5mV/°C. En consecuencia, se espera que el valor del coeficiente real del termodiodo sea un valor cercano a estos valores. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 56 Capítulo 4. Simulaciones 650
Voltaje del termodiodo, Vts (mV)
600
550
500
450
400
350
20
30
40
50
60
70
80
Temperatura (°C)
90
100
110
120
Figura 4.2. Simulación de la respuesta del termodiodo. Con la información mostrada en la figura 4.2, se puede obtener la ecuación de la relación existente entre la temperatura ambiente y el voltaje entre las terminales del termodiodo. Tomando el punto ,
20,600 se tiene que: 600
2.1
2.1
642 Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 20 57 Capítulo 4. Simulaciones 4.2 Circuito de ajuste de temperatura La figura 4.3 muestra como varía el voltaje de salida del circuito Vsp al variar el valor de resistencia del potenciómetro externo Pot3. Al variar su resistencia entre 4kΩ y 10 kΩ es posible producir el rango de variación de voltaje que se produce en el diodo al variar la temperatura, lo que permite ajustar la temperatura de referencia a cualquier valor entre 20°C y 120°C. Voltaje del punto de ajuste de temperatura, Vsp (mV)
650
600
550
500
450
400
350
300
3
4
5
6
7
8
9
10
Resistencia del potenciometro externo, Pot3 (kohms)
11
Figura 4.3. Respuesta del punto de ajuste al variar el valor del potenciómetro externo. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 58 Capítulo 4. Simulaciones De acuerdo con la ecuación para obtener el voltaje de salida de un divisor de tensión resistivo, y conociendo el valor de la resistencia interna del circuito Rt1=10kΩ, y el voltaje de referencia Vref=1.209V, se tiene que la variación del voltaje de salida del circuito respecto a la resistencia del potenciómetro externo Rt2, está dada por: 1.209
10000
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 59 Capítulo 4. Simulaciones 4.3 Circuito compensador De acuerdo a la simulación mostrada en la figura 4.2, el voltaje en el diodo varía de 600mV a 430mV al variar la temperatura de 20°C a 100°C. Para ajustar la temperatura de referencia a 100°C, se requiere una resistencia en el potenciómetro externo de: 0.429 10 Ω
1.209 0.429
5.51 Ω Al ajustar el valor del potenciómetro externo a 5.51kΩ, para tener una temperatura de referencia de 100°C, y realizar simulaciones en las que la temperatura varió de 20°C a 100°C, se obtuvieron los resultados de la figura 4.3. En la figura 4.3 (a) se observa que conforme la temperatura se incrementa el voltaje del termodiodo disminuye hasta alcanzar el valor del punto de ajuste a 100°C. El circuito compensador realiza la comparación entre estos dos voltajes y amplifica la señal resultante. En la figura 4.3 (b) se muestra como el voltaje de salida del circuito compensador disminuye. Este comportamiento se debe a que, al inicio de la simulación, la diferencia entre las señales de entrada es mayor, por lo que se produce un voltaje de salida mayor. Conforme la diferencia entre las señales de entrada va disminuyendo, la salida del circuito disminuye también, hasta volverse cero cuando las señales de entrada son iguales. Comparando las figuras 4.3 (a) y (b) se confirma que el voltaje de salida es diez veces mayor a la diferencia existente entre las señales de entrada, tal como se mencionó en el Capítulo 2. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 60 Capítulo 4. Simulaciones 600
600
550
550
500
500
450
450
400
20
30
40
50
60
Temperatura (°C)
70
80
90
Voltaje del termodiodo, Vts (mV)
Voltaje del punto de ajuste de temperatura, Vsp (mV)
650
400
100
(a) Voltaje a la salida del compensador, Vcomp (mV)
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
20
30
40
50
60
70
Temperatura (°C)
80
90
100
(b) Figura 4.4. Respuesta de circuito compensador. (a)Voltajes de entrada: voltaje de referencia Vsp y voltaje en el termodiodo Vts; (b) voltaje a la salida del circuito compensador. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 61 Capítulo 4. Simulaciones 4.4 Circuito suministrador de corriente Cuando el circuito suministrador de corriente recibe la señal generada por el circuito compensador hace circular una corriente a través del calentador resistivo. Dicha corriente varía proporcionalmente al voltaje a la salida del circuito compensador. Para comprobar esto, se realizó la simulación mostrada en la figura 4.5. Debido a que el voltaje a la salida del compensador varía conforme se iguala la señal producida por el termodiodo con el voltaje de referencia, la corriente a través del calentador lo hará de la misma forma. Corriente a través del calentador, Iheater (uA)
600
550
500
450
400
350
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Voltaje a la salida del circuito compensador, Vcomp (mV)
1.8
Figura 4.5. Corriente en la resistencia que actúa como calentador respecto al voltaje de salida del circuito compensador. En la simulación mostrada en la figura 4.5, al variar el voltaje del circuito compensador entre 1.8V y 0V, la corriente en el calentador varía entre 600 µA y 390 µA, respectivamente. De acuerdo con la información presentada en el Capítulo 2, el calentador necesita de 40mA para Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 62 Capítulo 4. Simulaciones producir la potencia necesaria para operar a 100°C, por lo que, es probable que la corriente entregada por el arreglo de FETs al calentador no sea suficiente para la correcta operación del sistema. Aparentemente, el sistema no es capaz de entregar la corriente requerida, debido a que originalmente no se había considerado la necesidad de implementar el arreglo de transistores de efecto de campo para suministrar la corriente. La capacitancia del arreglo de FETs requirió de una red de compensación para mantener estable el sistema, la cual provoca que la corriente que circula a través del calentador sea menor a la corriente necesaria. Al realizar la simulación sin la presencia de la red compensadora, la corriente que circula a través del calentador es mayor a la mostrada en la figura 4.5 y se acerca al valor señalado en el Capítulo 2, lo cual se puede ver en la figura 4.6 (a). La figura 4.6 (b) muestra el circuito sin la presencia de la red de compensación respecto a la cual se realizó la simulación. Esta no toma en cuenta la capacitancia del arreglo, por lo que la corriente varía de tal manera que la red no parece necesaria. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 63 Capítulo 4. Simulaciones Corriente a través del calentador, Iheater (mA)
30
25
20
15
10
5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Voltaje a la salida del circuito compensador, Vcomp (mV)
1.8
(a) (b) Figura 4.6. (a) Corriente que circula por el calentador al no existir la red de compensación; (b) circuito suministrador de corriente en el cual se realizó la simulación. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 64 Capítulo 4. Simulaciones Referencias [1] García‐Guzmán, J. (2005). “Smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, PhD Thesis, Department of Engineering, University of Warwick, UK. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 65 Capítulo V
Capítulo 5. Conclusiones
El comportamiento bajo condiciones normales de operación del termodiodo, el cual es uno de los componentes críticos para el funcionamiento del sistema, obtenido a través de las simulaciones presentadas en el capítulo 4, no concuerda exactamente con la información obtenida durante el proceso de diseño y fabricación [1]. Existe una variación de 0.4mV/°C entre el coeficiente de temperatura obtenido a partir de los resultados de las simulaciones y el obtenido a partir de los voltajes tomados como referencia por García Guzmán [1], por lo que, a pesar de que se puede estimar que el valor real es un valor cercano a estos resultados, la diferencia entre dichos coeficientes de temperatura es considerable. Al definir un valor de resistencia para el potenciómetro externo, el sistema realiza la comparación entre el voltaje de referencia y el voltaje en las terminales del termodiodo de la manera que se esperaba. La ganancia del circuito compensador, obtenida al amplificar la señal proporcional a la diferencia entre dichos voltajes, concuerda con la ganancia calculada, por lo que, mientras el valor de las resistencias internas de este circuito no se vea afectado de manera considerable por el proceso de fabricación, o su variación sea uniforme en todos los resistores, la señal será adecuada. De confirmase, mediante mediciones experimentales, que la corriente suministrada al calentador es menor que la corriente necesaria para ajustar la temperatura de operación de los sensores químico‐resistivos, se requerirá de alguna acción correctiva o compensatoria para lograr su correcta operación. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 67 Capítulo 5. Conclusiones Implementar un circuito externo, el cual sustituiría al circuito encargado de controlar la corriente suministrada al calentador, es una opción viable ya que se cuenta con las terminales necesarias para conectar un circuito de esta naturaleza al chip ASIC. Por otra parte, una acción de esta índole podría comprometer la posibilidad de implementarlo en un sistema portátil. De optarse por esta alternativa, se deberá poner especial cuidado en las dimensiones, por lo que preferentemente el circuito externo deberá de ser un microcircuito. Dicho microcircuito podría implementarse en una nueva generación del chip ASIC. Aunque más costoso e implicando una mayor dificultad, optar por el rediseño del sistema de control de temperatura es una acción correctiva que no restringiría el uso del chip dentro de un sistema portátil para la detección de gases. Ambas alternativas quedan fuera del alcance de teste trabajo recepcional, por lo que es necesario futuro seguimiento de las mediciones a realizarse en el chip ya fabricado para lograr la completa caracterización del sistema. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 68 Capítulo 5. Conclusiones Referencias [1] García‐Guzmán, J. (2005). “Smart ratiometric ASIC chip for VOC monitoring”, PhD Thesis, Department of Engineering, University of Warwick, UK. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica 69 Bibliografía y referencias
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Tabla de acrónimos
Acrónimo
Inglés
ASIC Application‐Specific Integrated Circuit CAD Computer‐Aided Design CD Direct Current Complementary Metal‐Oxide CMOS Semiconductor FET Field‐Effect Transistor MEMS Micro Electro‐Mechanical Systems Metal‐Oxide Semiconductor Field‐
MOSFET Effect Transistor N Negative Negative‐Channel Metal‐Oxide NMOS Semiconductor NSD N‐type source/drain P Positive PC Personal Computer PGA Pin Grid Array Positive‐Channel Metal Oxide PMOS Semiconductor PSD P‐type source/drain Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica Español
Circuito Integrado De Aplicación Especifica Diseño Asistido Por Computadora Corriente Directa Semiconductor de Metal‐Óxido Complementario Transistor Efecto de Campo Micro Sistema Electromecánico Transistor Efecto de Campo de Semiconductor Metal‐Óxido Negativo Semiconductor de Metal‐Óxido de Canal Negativo Fuente/Drenador de tipo N Positivo Computadora Personal Arreglo de Pines en Cuadricula Semiconductor de Metal‐Óxido de Canal Positivo Fuente/Drenador de tipo P 76