CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Isabela Barreto Vasconcelos
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Fabricação de RTD planar para implementação de
sensor inteligente de temperatura
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Fabricação de RTD planar para implementação de sensor inteligente de temperatura
Dissertação
submetida àUniversidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção dograu de
Mestre em Engenharia Elétrica
Isabela Barreto Vasconcelos
V331f
Vasconcelos, Isabela Barreto.
Fabricação de RTD planar para implementação de sensor
inteligente de temperatura / Isabela Barreto Vasconcelos . - Recife: O
Autor, 2006.
xv, 153 folhas, il : figs., tabs.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco.
CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2006.
Inclui bibliografia e Anexos.
1. Engenharia Elétrica. 2.RTD Planar. 3.Sensor Inteligente.
4.Microeletrônica. I. Título.
UFPE
621.3 CDD (22. ed.)
BCTG/2008-105
As seguintes pessoas merecem agradecimentos que di cilmente serão bem expresso por palavras:
•
Ao Professor Edval Santos pela ajuda, orientação e con ança depositada, du-rantetoda aexecução deste trabalho;•
Agradeço, muitoespecialmente, aDiego,meu grandeamor, pelaajuda, paciên-cia, companheirismo em todos osmomentos epeladedicação incansável;•
AoProfessorHugoGuerra,meupai,portodooincentivoeauxílionosmomentos de maiores di culdades;•
À Anelle, minhagrande amiga esempre companheirade estudo;•
À Andrelina,Suzy eLuzinete pelacompanhia nas horas de decanso no LDN;•
À minha mãe, Zélia, meus irmãos, Ricardoe Vanessa, e meu avô Marinho que tudo zerampara me tranqüilizarealegrar.Isabela Barreto Vasconcelos Universidade Federalde Pernambuco
para obtenção do grau de Mestre em EngenhariaElétrica.
Fabricação de RTD planar para implementação de sensor inteligente de temperatura
Isabela Barreto Vasconcelos Outubro/2006
Orientador: Edval J.P.Santos, Ph.D. Áreade Concentração: Eletrônica
Palavras-chaves: RTD planar;sensor inteligente; temperatura; microeletrônica Número de páginas: xv+153
Foram desenvolvidas etapas de processo para fabricação de estruturas resistivas planares e circuitos de condicionamento com conversor e microcontrolador para a construção de sensores inteligentesde temperatura. O objetivoéintegraresse sensor a um sistema capaz de medir a pressão para utilizar na medida da vazão de uidos em ambientes agressivos, como em um poço de petróleo. O Resistive Temperature Detector, RTD, planar pode ser fabricado utilizando técnicas de microeletrônica, o quepermiteprojetarsua integraçãocomoutraspartesdocircuitoem ummesmochip ou como circuitohíbrido em substrato cerâmico. O RTD fabricadofoi caracterizado quanto às dimensões e a resistividade. Foi construída uma estação de testes com temperatura variável para avaliar o desempenho do RTD fabricado com relação à variação de temperatura. Nessa caracterização observou-se uma variação bastante linear do valor da resistência com a temperatura, próximo de valores obtidos com RTDcomerciais, utilizadospara comparação.
ParatornaroRTDumsensorinteligentede temperatura, foramexaminadas duas arquiteturas: a primeira utilizando um conversor analógico-digital e um microcon-trolador e a segunda colocando o RTD como parte de um oscilador e utilizando um conversor de freqüência para digital.
requirements forthe degreeof Master in ElectricalEngineering. Planar RTD Fabrication for smart temperature
sensor
Isabela Barreto Vasconcelos October/2006
Supervisor: EdvalJ. P. Santos, Ph.D. Areaof Concentration: Electronics
Keywords: Planar RTD, smart sensor, temperature, microelectronics Number of pages: xv+153
Processingstepsforthe fabricationof planarresistivestructures andconditioning circuits with converter and microcontroller for the fabrication of temperature smart sensorshavebeendeveloped. Thegoalistointegratethissensorintoasystemcapable of performing pressure measurements for the determination of owrate in agressive environment,such asinaoilwell. PlanarRTDcan bemanufacturedwith microelec-tronicstechniques, whichmakespossibletheintegrationwithothersubcircuitsinone singlechip orasahybrid, usingceramicsubstrate. ThemanufacturedRTD hasbeen characterizedwith respect todimensionsand resistivity. Avariabletemperaturetest stationhas been built toevaluate the behavior of the RTD with respect to tempera-ture. Inthe characterization has beenobserved that the manufacturedRTDdisplays a highly linear dependence of the resistance value with temperature. The measured values are closeto commercial RTDs, used for comparison.
Totransformthe RTDintoatemperaturesmartsensor,twodierentarchitecture are examined: the rst one using a analog-digitalconverter and microcontroller, and the secondone placestheRTDaspartof anoscillatoranduses afrequency todigital converter.
Agradecimentos iv
Resumo v
Abstract vi
Lista de Tabelas x
Lista de Figuras xii
Capítulo 1 Introdução 1 1.1 Introdução . . . 1 1.2 Sensores . . . 3 1.2.1 Sensores de Temperatura . . . 4 1.3 Sensores Inteligentes . . . 18 1.3.1 IEEE 1451 . . . 18
1.4 Escolhado sensor de temperatura . . . 23
1.5 Organizaçãoda Dissertação . . . 24
Capítulo 2 Fabricação de RTDs Planares 26 2.1 Introdução . . . 26
2.2 Revisão Teórica . . . 27
2.2.1 Projeto doRTD . . . 27
2.2.2 Limpeza RCA . . . 29
2.2.3 Deposição de Filmes Finos . . . 30
2.2.4 Recozimento. . . 33
2.3 Fabricação Realizada . . . 35
2.3.1 Considerações Gerais sobreas FabricaçõesRealizadas . . . 35
2.3.2 OsEnsaios Preliminares . . . 45
2.3.3 OProcesso de Fabricação 1 . . . 47
2.3.4 OProcesso de Fabricação 2 . . . 52
2.3.5 OProcesso de Fabricação 3 . . . 57
2.4 Conclusão . . . 60
Capítulo3 PlanejamentoExperimentalparaFabricaçãodeRTDsPlanares 62 3.1 Introdução . . . 62
3.2 PlanejamentoExperimental . . . 63
3.2.1 OPlanejamento Ortogonal . . . 65
3.2.2 OPlanejamento Ortogonal aplicadoà fabricaçãode RTDs . . 72
3.2.3 OPlanejamento Ortogonal realizado . . . 79
3.3 Conclusão . . . 81
Capítulo 4 Caracterização dos RTDs Fabricados 83 4.1 Introdução . . . 83 4.2 Características Físicas . . . 83 4.3 Características Elétricas . . . 90 4.4 Caracterização daFabricação 1 . . . 98 4.5 Caracterização daFabricação 2 . . . 101 4.6 Caracterização daFabricação 3 . . . 106 4.7 Conclusão . . . 111
Capítulo 5 Implementação de Protótipos de Sensores Inteligentes 113 5.1 Introdução . . . 113
5.2 Conversão de Temperatura . . . 114
5.2.1 Con guração UtilizandoCircuito Oscilador. . . 114
5.2.2 UFDC- 1 (Universal Frequency to Digital Converter) . . . 116
5.2.3 Con guração UtilizandoConversor A/D . . . 119
5.2.6 OConversor Analógico-Digital. . . 123
5.2.7 OMicrocontrolador . . . 124
5.3 A proposta do sensor inteligente . . . 125
5.4 Conclusão . . . 129
Capítulo 6 Conclusões 131 Apêndice A Resistividade de lmes nos 135 A.1 Detalhes doExperimento. . . 135
A.2 Resultados Experimentais . . . 136
Apêndice B Automação da Caracterização dos RTDs 139 B.1 Protocolo Multímetro. . . 140
B.2 Protocolo Impedancímetro . . . 142
B.3 Programaçãoem VisualBasic . . . 145
Apêndice C Estação de testes e Encapsulamento projetados 147 C.1 Estaçãode Teste . . . 147
C.2 Encapsulamentos . . . 148
C.2.1 Encapsulamentotipo A. . . 148
2.1 Faixade temperatura dos RTDs de acordocom o metal. . . 28
2.2 Temperaturade fusão dos metais. . . 39
2.3 Experimentos para encontrar temposde exposição erevelação. . . 42
2.4 SituaçãodaMetalização 1 (Fabricação 1). . . 48
2.5 SituaçãodaMetalização 2 (Fabricação 1). . . 49
2.6 SituaçãodaMetalização 3 (Fabricação 1). . . 50
2.7 SituaçãodaMetalização 4 (Fabricação 1). . . 50
2.8 Fotolitogra ae Corrosão doProcesso de Fabricação 1. . . 51
2.9 SituaçãodaMetalização 1 (Fabricação 2). . . 52
2.10 SituaçãodaMetalização 2 (Fabricação 2). . . 53
2.11 SituaçãodaMetalização 3 (Fabricação 2). . . 53
2.12 SituaçãodaMetalização 4 (Fabricação 2). . . 54
2.13 Fotolitogra ae Corrosão doProcesso de Fabricação 2. . . 57
2.14 SituaçãodaMetalização 1 (Fabricação 3). . . 58
2.15 Fotolitogra ae Corrosão doProcesso de Fabricação 3. . . 61
3.1 Exemplo de TabelaOrtogonal. . . 66
3.2 Exemplo: Niveis de Parâmetros de Entrada. . . 68
3.3 TabelaOrtogonal doExemplo. . . 69
3.4 Resultados doExemplo. . . 69
3.5 Níveispara otimização dametalização. . . 75
3.6 Planejamentoexperimentalpara otimização dametalização. . . 75
3.7 Níveispara otimização dafotolitogra ae corrosão. . . 78
3.8 Planejamentoexperimentalpara otimização dafotolitogra ae corrosão. 79 3.9 Resultado doPlanejamento Experimental. . . 80
4.1 Resultadosobtidospara resistênciade folhaeresistividadedo lme de níquel sobre vidrona fabricação1.. . . 99 4.2 Resultado damedição de largurados RTDs dafabricação 2. . . 103 4.3 Resistência de folha e resistividade do lme de níquel da lâmina Y
(alumina)nafabricação2. . . 104 4.4 Resistência de folha e resistividade do lme de níquel da lâmina W
(alumina)nafabricação2. . . 104 4.5 Resultado damedição de largurados RTDs dafabricação 3. . . 108 4.6 Resistência de folha e resistividade do lme de níquel da lâmina Y
(alumina)nafabricação3. . . 109 4.7 Resistência de folha e resistividade do lme de níquel da lâmina Z
1.1 Exemplo de circuito híbrido onde o transdutor está montado em um substrato de alumina e um outro chip contém a eletrônica necessária,
tudo em um mesmo encapsulameno.. . . 2
1.2 Circuitobásico de um termopar, dois metais diferentes estão soldados em uma extremidade e as duas extremidades estão sujeitas a temper-aturasdiferentes. . . 5
1.3 Curva de temperatura (
o
C
)×
tensão (mV
) para diferentes tipos de termopar: E,J, T, K, N, R,S, B. . . 61.4 Curvascaracterísticasde termistoresNTC, comparadasa um RTD de platina. . . 10
1.5 Curvas característicaspara RTDde níquel, platinae cobre. . . 14
2.1 Etapas dafabricação. . . 26
2.2 DimensõesdoRTD.. . . 29
2.3 EvaporadoraEdwards AUTO 306 disponívelno LDN. . . 37
2.4 Pressãointernada câmaraem função dotempo. . . 38
2.5 Spinner programável SCS G3P-12 Spincoat doLDN. . . 40
2.6 Sistema OAI modelo LS30/5 - 200W NUV do LDN. . . 41
2.7 Recipienteem Filamento.. . . 45
2.8 Recipienteem CestatipoA (mais fechada). . . 46
2.9 Recipienteem CestatipoB (mais aberta). . . 47
2.10 Recipienteem cesta revestida de alumina. . . 54
2.11 Cesta revestida de aluminautilizada. . . 55
2.12 Nomeaçãode acordo com a disposiçãodas Lâminas. . . 56
3.1 Grá cos dafunção de saída R em termos da variação dos parâmetros
de entrada. . . 70
4.1 Per lômetro Mitutoyo SJ - 401. . . 84
4.2 Per l do RTD de níquel sobre alumina. . . 85
4.3 Rugosidade daalumina. . . 86
4.4 Rugosidade dovidro. . . 86
4.5 Rugosidade dosilício. . . 86
4.6 Per l do RTD de níquel (
561, 3 nm
)sobre vidro. . . 874.7 Microscópio Eletrônico de Varredura JEOL6460. . . 88
4.8 Mediçãode Larguraa partir doMEV JEOL6460. . . 88
4.9 Nisobrealuminana
3
a
fabricaçãocomrecozimentode3h30(ampliação 10.000vezes). . . 894.10 Ni sobre vidro na
3
a
fabricação com recozimento de 3h30 (ampliação 20.000vezes). . . 894.11 Aluminacom ampliaçãode 5.000 vezes. . . 89
4.12 Nisobrealuminana
3
a
fabricaçãocomrecozimentode3h30(ampliação 5.000vezes). . . 894.13 Estrutura de testes com ampliaçãode 300 vezes. . . 90
4.14 Quinada estrutura doRTD com ampliaçãode 250 vezes. . . 91
4.15 Estrutura doRTD com ampliaçãode 30 vezes. . . 91
4.16 Diagramapara montagem damediçãodas 4pontas de prova.. . . 92
4.17 Aparato experimentalutilizadopara medição de 4 pontas. . . 93
4.18 Plataformade testes desenvolvida . . . 94
4.19 Telado programa desenvolvido. . . 95
4.20 Arquivo com os dadoscoletados. . . 96
4.21 Comparação entre as curvas medida e fornecida do RTD Ni-1000 co-mercial. A temperatura da chapa aquecedora é medida com um ter-moparsem pastatérmica. . . 97
4.22 Comparação entre as curvas medida e fornecida do RTD Ni-1000 co-mercial,utilizando pasta térmica. . . 97
4.24 Curva (
R
/R
0
)×
Tpara RTDs dafabricação 1. . . 1014.25 Localizaçãodas lâminas nametalizadora. . . 102
4.26 Subdivisão dalâminaem leiras. . . 102
4.27 Fileirascom serrilhado. . . 102
4.28 Curva R
×
T para RTDsde menorcomprimentoda fabricação2. . . 1054.29 Curva R
×
T para RTDsde maiorcomprimentoda fabricação2.. . . 1054.30 Curva (
R
/R
0
)×
Tpara RTDs dafabricação 2. . . 1064.31 Faltade aderência do Ni sobrevidro. . . 109
4.32 Curva R
×
T para RTDsde maiorcomprimentoda fabricação3.. . . 1104.33 Curva (
R
/R
0
)×
Tpara RTDs dafabricação 3. . . 1115.1 Exemplo de oscilador de relaxação que pode ser utilizado para trans-formaravariaçãodaresistênciadotransdutorem variaçãodefreqüência.114 5.2 Diagramade blocos dacon guração utilizando circuitooscilador.. . . 115
5.3 Blocobásicodo UFDC. . . 118
5.4 Diagramade blocos dacon guração utilizando conversor A/D. . . 119
5.5 Conexãoa dois os. . . 120
5.6 Conexãoa três os. . . 121
5.7 Conexãoa quatro os. . . 121
5.8 Esquemático damontagem dosensor inteligente. . . 125
5.9 Con guração para fonte de corrente. . . 126
5.10 Montagem daconexão atrês os. . . 127
5.11 Circuitode condicionamentoproposto. . . 128
5.12 Conexões doPIC. . . 128
5.13 Fluxograma daprogramaçãodo PIC. . . 129
A.1 A resistividade de lmes de cobre e níquel como função da espessura do lme, mantendo a temperaturado substrato constante (
373K
)e a taxade deposição entre5 − 10nm/s
para o cobree12 − 14nm/s
para oníquel. . . 136como função da temperatura do substrato. As taxas de deposição foram mantidas em 5-10nm/s e 12-14nm/s para o cobre e o níquel
respectivamente. . . 137
A.3 Aresistividadedeum lmedecobreeníquelcom
1000 nm
deespessura como função da taxa de deposição em um substrato de temperatura constante(373 K
). . . 138B.1 MultímetrodigitalMinipa
ET − 2600
. . . 140B.2 De niçãodos bits de dados utilizadospelomultímetro. . . 140
B.3 Protocolo de comunicação domultímetro.. . . 141
B.4 Tabelade códigos para con guraçãodomultímetro. . . 141
B.5 ImpedancímetroSR720 da Stanford Research. . . 142
B.6 Painel traseiro doimpedancímetro. . . 143
B.7 Códigos de con guraçãoda comunicação doimpedancímetro.. . . 143
B.8 Códigos utilizadospeloimpedancímetro. . . 144
B.9 Parâmetros de con guraçãodoImpedancímetro. . . 144
B.10 Fluxograma daprogramaçãodesenvolvida. . . 145
C.1 Estaçãode testes. . . 147
C.2 Encapsulamentotipo A com fenda estreita para inserção . . . 148
Introdução
1.1 Introdução
Anecessidadedeseobterinformaçõescadavezmais éissobreaproduçãodepetróleo, seja para monitoramento,sejapara medição scal,tem causado um grandeaumento na quantidade de sensores e dados coletados. Em particular, a necessidade de se medir vazão, pressão e temperatura no fundo do poço representa uma di culdade para oscircuitos eletrônicosconvencionais devido àsaltas temperaturas, necessidade dealimentaçãoeoproblemadetransferênciadedados. Nestassituações,otransdutor pode ser separado do circuito de condicionamento, do processador e do subcircuito de comunicação em rede, cando posicionados a grandes distâncias, em ambientes menos hostis. Este afastamento prejudica a con abilidadedo sinal coletado, devido à existênciade interferência eaumentabastante oscustos com cabeamento, alémdo problema dafontede alimentação.
Para resolver estes problemas, seria interessante desenvolver sensores integrados nos quais o transdutor e a eletrônica de condicionamento possam ser submetidos a ambientes hostis. A tecnologia SOI (Silicon On Insulator) pode ser utilizada nesse desenvolvimento,uma vez que é capazde suportar altas temperaturas.
O conjunto de sensores possibilitaria a medição dos parâmetros necessários sob mesmas condições, minimizando os erros existentes atualmente, resultantes do afas-tamento entre os sensores. Estes erros exigem técnicas de compensação mais ela-boradas, aumentando a complexidade do sistema e, conseqüentemente, os custos do
Figura 1.1: Exemplo de circuito híbrido onde o transdutor está montado em um substrato de alumina e um outro chip contém a eletrônica necessária, tudo em um mesmo encapsulameno.
mesmo.
A integração dos sensores junto com a eletrônica de condicionamento e comuni-cação possibilitaria a ligação destes sensores em rede, permitindo a interligação de váriosconjuntosdesensoresembarramento,aumentandoaversatilidadeediminuindo consideravelmente os custos com cabeamento. A comunicação digital possibilitaria ainda a utilização de técnicas de con rmação das medidas e correção de erros, au-mentandoa con abilidadedo sinal medido.
Levandoem consideraçãoasvantagensalcançadascomautilizaçãodesensores in-tegrados, o objetivodeste trabalho foidar o primeiropasso para a elaboração desses sensores, fabricando e caracterizando sensores de temperatura adequados para tra-balhar nas condições almejadas.
Osensor de temperatura desenvolvido deve ser capaz de medir temperaturas em ambientes agressivos (umavez queosubstrato escolhido para afabricaçãodeste sen-sor é a alumina), como é o caso de dutos de petróleo, satisfazendo a necessidade do projeto Rede de Instrumentação e Controle, 10-08, com apoioFINEP/CTPETRO e PETROBRÁS/CENPES para monitoramento de vazão. Futuramente, o sensor fa-bricadoe caracterizadopoderá ser combinado em um mesmo encapsulamentocom a eletrônica de condicionamento e comunicação desenvolvida em tecnologia SOI, uti-lizandoo conceito de circuitohíbrido (Figura1.1).
A medição da vazão de uidos pode ser realizada utilizando sensores de pressão em diversos arranjos,desdequeosmesmosestejamcalibrados paraatemperaturade operação. No caso daaplicaçãoempoços de petróleo,é comumse veri car variações
detemperaturasobosensordepressãoaolongodotempo. Portanto,faz-senecessário desenvolverumsensordetemperaturaparasermontadopróximoaosensordepressão, com o intuito de monitorar a temperatura sob o mesmoe assim, recalibrá-lo.
Nas primeiras duas seções a seguir serão apresentados o conceito de sensores in-teligentes e um resumo da recente família de normas IEEE 1451 para interfaces de comunicação de sensores inteligentes e possibilidade de criação de padrões de inter-face. Nas seções subseqüentes, será abordado um resumo dos principais tipos de sensores de temperatura utilizados em aplicações industriais, suas características e usabilidades.
1.2 Sensores
Transdutores de entrada ousensores são elementos especí cos quetransformam uma determinadavariávelfísica de interesseem umagrandeza passívelde processamento. Emgeral,avariáveldeinteresseétransformadaemumagrandezaelétrica,jáquecom os recursos oferecidos pelaeletrônica é possível efetuar uma série de processamentos posteriores [1].
Algumas das grandezas físicas que podem ser medidas através de sensores são: pressão, temperatura, luminosidade, velocidade, umidade, vazão, força, ângulo, dis-tância, torque. Quando essas variáveis são medidas pelos elementos sensíveis em conjunto com circuitos eletrônicos, dá-se origem aos detectores. Portanto, os detec-tores transformam uma grandeza física em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmenteinterpretado porum sistema de controle.
Existemumasérie de característicasrelacionadasaos sensores quedevem ser con-sideradas, antes de se decidir qual o mais adequado para uma dada aplicação. São algumas delas: sensibilidade, exatidão, precisão, linearidade, faixa de medição, esta-bilidade,tempode resposta, dimensões, vida útilecusto.
Vale salientar que existem três de nições para sensibilidade. De maneira geral, a sensibilidade é quanto varia o sinal de saída (
Sa
) para uma variação da grandeza sendo medida(En
). Seguem asde nições [2]:•
Sensibilidadeabsoluta-razãoentre avariaçãodosinal de saídaeavariaçãoda grandeza de entrada (Equação 1.1), é amais comumenteusada.∆Sa
∆En
(1.1)•
Sensibilidade relativa da saída - razão entre a variação relativa do sinal de saída e a variação da grandeza de entrada (Equação 1.2). É particularmente interessante se o sinal de saída variaexponencialmente com relação a variação dagrandeza de entrada.∆Sa
Sa
∆En
=
∆ ln Sa
∆En
(1.2)•
Sensibilidade relativa - razão entre a variação relativa do sinal de saída e a variação relativada entrada (Equação 1.3). Essa de nição tem a vantagem de ser adimensionalepode serde interessequandoosinal de entrada esaídaestão relacionadosporuma potência (Sa = (En)
α
).∆Sa
Sa
∆En
En
=
∆ ln Sa
∆ ln En
(1.3) 1.2.1 Sensores de TemperaturaExistem diversas tecnologias de sensores de temperatura. Cada uma delas pode ser utilizada nas mais variadas aplicações, dependendo dos requisitos solicitados. Por-tanto, para que a escolha seja adequada, deve-se levar em consideração: faixa de temperaturade utilização, robustez, sensibilidade, entre outras características.
Alguns exemplosde sensores de temperaturapara aplicações industriais são: ter-mopares,RTDs(ResistanceTemperatureDetectors),termistores,pirômetros(sensores por infravermelho) etermopilhas. Ostrês primeirostiposserão abordados aseguir. Termopar
Em1821,ThomasJohannSeebeck descobriuqueera possível gerarumadiferençade potencial entre os terminais livres de dois metais unidos em uma das extremidades. Paratanto,bastavaqueexistisseumadiferençadetemperaturaentreasextremidades livres dos metais e as extremidades unidas. Este potencial elétrico criado pela
dife-Figura1.2: Circuitobásicode umtermopar, doismetaisdiferentes estãosoldadosem uma extremidade e asduas extremidades estão sujeitas a temperaturas diferentes. rença de temperatura cou conhecido como a força eletromotriz Seebeck e é a base doprincípio de funcionamentodos sensores termopares.[3]
A magnitude do potencial termoelétrico depende da composição dos condutores escolhidosedadiferençadetemperaturaaqueosensorestásubmetido. Destaforma, para se determinar a temperatura, é necessário manter uma das junções sob tempe-raturaconhecidaecontrolada. NaFigura1.2 estáilustradoumcircuitobásicode um sensor termopar [4, 5, 6]. Pode-se dizer, então, que o termopar é um dispositivoque converte energiatérmica em energiaelétrica.
Dependendo da escolha do material que o constitui e do seu encapsulamento, o termopar pode cobrir uma faixa de temperatura que vai de
−
270
◦
C
a
2000
◦
C
. Os termopares fornecem medidas exatas e con áveis, mesmo sob condições mecânicas, químicas e elétricas extremas. A exatidão alcançada depende da temperatura que está sendo medida, da escolha dos metais utilizados e do método utilizado para a determinaçãoda forçaeletromotriz produzida. Para temperaturas próximas à ambi-ente, a exatidão ca entre
0, 1
◦
C
-
0, 2
◦
C
, enquanto para temperaturas muito altas, a exatidãopode está naordemde
5
◦
C
-
10
◦
C
[3, 7,8].
Uma vez que os termopares só são capazes de determinar diferenças de tempe-ratura, atemperaturada junção de referênciaafeta oresultado damedida. Existem tabelas normalizadaspara cadatipode termopar,indicando atensãoproduzidapara todos os valores de temperatura suportados. Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Inter-nacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90 (International Temperature Scale de 1990), para os termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas pode-se construir um grá co relacionando a temperatura e a
Figura 1.3: Curva de temperatura (
o
C
)
×
tensão (mV
) para diferentes tipos de termopar: E,J, T, K,N, R, S,B.tensão geradaentre osterminaismetálicos, como pode ser vistonaFigura 1.3 [9]. Todas as tabelas normalizadas fornecem os valores da tensão de saída do ter-mopar considerando quesua segunda junção, a junção fria, é mantida a exatamente a
0
◦
C
. Desta forma, se a temperatura de referência desvia-se de
0
◦
C
, é necessário adicionar ou subtrair a força eletromotriz térmica associada à temperatura de refe-rência. Antigamentea temperaturada junçãofria era obtida conservando taljunção em água com gelo (daí o termo compensação por junção fria). Contudo, devido à di culdade de manutenção do gelo nas condições necessárias, optou-se por medir a temperaturadajunção fria e compensar a diferençapara o
0
◦
C
.
Tipicamenteatemperaturadajunção friaémedidaporumtermistorde precisão. Aleituradestasegunda temperatura,emconjuntocomaleituradovalordatensãodo própriotermopar éutilizadaparaocálculodatemperaturaveri cadanaextremidade do termopar. Em aplicações menos exigentes, a compensação da junção fria é feita por um semicondutor sensor de temperatura, combinando o sinal do semicondutor com o dotermopar [10].
Éimportantesalientaraimportânciadaprecisãonacompensaçãoporjunçãofria; qualquer erro na mediçãoda temperaturadesta junção ocasionará erros na medição datemperaturadaextremidadedotermopar. Quantomaioraprecisãorequeridapelo termopar utilizado,maior deverá ser aprecisão dosensor utilizadona junta fria.
Alémde erros devidos àtemperaturade referência, ostermoparesde mesmotipo podem também apresentar diferenças de medição. Isto ocorre devido à grande de-pendência da força eletromotriz térmica produzida, com a composição dos metais constituintes do sensor e de qualquer impureza adicional que eles possam conter. Também éimportantesalientar quesendo umsinalde tensãode baixíssimapotência, osinal do termopar está sujeito ainterferência, além de ser necessário umaaltíssima impedânciade entrada no circuitode medição.
Outra fonte de erros de medição é ocasionada pelas mudanças nas propriedades termoelétricasdo odotermopardevidoaestressesmecânicossubmetidosaomesmo. Emmediçõesdelaboratório,os osdotermopar,porestarembastantepróximosao instrumentodemedida,seconectam diretamenteaele. Jánas aplicaçõesindustriais, onde o instrumento se encontra, normalmente, distante do termopar, a conexão é realizadaatravésde os especiais chamados: os de extensão e os de compensação. Os os de extensãosão fabricadoscom as mesmasligasdos os termopares. Eles são usados quando o termopar é composto por metais não nobres, de baixo custo. O custo desses os de extensão pode ser ainda reduzido, usando-se ligas de menor pureza. Isto é possível pois tais ligas só necessitam manter suas características nas temperaturas a que os os estão submetidos, temperaturas que, em geral, são bem inferiores àsmedidas pelotermopar.
Os osdecompensação, porsuavez,sãoutilizadosquandootermoparécomposto por metais ou ligas de alto custo. Nestes casos, são utilizadas ligas diferentes das do termopar, mas que apresentam comportamento termoelétrico similar na faixa de temperaturadoambientede trabalhodo o [7,10].
Existem diversos tiposde termoparesutilizadoscomercialmente, sediferenciando pelos metais utilizados na sua composição. Seguem abaixo alguns dos principais termopares utilizados[10]:
ebaixo custo. Cobre temperaturas entre -
200
◦
C
e
1200
◦
C
, tendouma sensibi-lidade de aproximadamente41
µ
V/◦
C
.
•
Tipo E (Cromel / Constantan) - O termopar tipo E possui alta sensibilidade (68µ
V/◦
C
), sendo adequadopara aplicaçõesem baixas temperaturas.
•
Tipo J (Ferro / Constantan) - Por apresentar uma faixa de operação limitada (-40
◦
C
a
40
◦
C
),este tipode termoparémenosutilizadodoqueotipoK, apre-sentado anteriormente. Aplica-se, sobretudo, em equipamentos mais antigos e incompatíveiscom termopares mais modernos.
•
Tipo N (Nicrosil / Nisil) - Por apresentar alta estabilidade e resistência à oxi-daçãomesmoa altastemperaturas,o termopartipoN, torna-seadequadopara medições em temperaturas elevadas. Este termopar foi desenvolvido para ser umaevolução dotipoK,chegando atémesmoasubstituir, emalgumas apli-cações, termopares que incorporam platina em sua constituição (tipos B, R e S).•
TipoB(Platina/Ródio-Platina)-OstermoparestipoB,assimcomoos termo-parestipoReS,são transdutoresmais estáveis, contudo, devidoàsua reduzida sensibilidadee resolução (da ordemdos 10µ
V/◦
C
), são utilizadosapenas para medir temperaturas acima dos
300
◦
C
. Os termopares tipo B são adequados para mediçãode temperaturas até
1800
◦
C
. Diferentemente dos demais termo-pares, este fornece a mesma tensão na saída entre
0
◦
C
e
42
◦
C
, impedindo sua utilizaçãoem temperaturas inferiores a
50
◦
C
. Termistor
O termistor é um sensor de temperatura baseado na mudança de resistência do ele-mento transdutor com a temperatura. Um termistor se diferencia de um RTD, que será tratado mais adiante, porque oelementotransdutor utilizadoé um semicondu-tor, ao invés de um metal.
Osmateriaissemicondutores queosconstituem,tipicamenteóxidosmetálicos (co-bre,cobalto,manganês,níquel,titânio),oferecemgrandesmudançasemsuas resistên-cias para pequenas variações de temperatura. Como conseqüência, os termistores
podem ser fabricadosem dimensõesmuito pequenas.
Podem-se dividir os termistores em dois tipos: NTC ou PTC. Os do primeiro tipo apresentam o coe ciente térmico negativo, ou seja, a resistência diminui com o aumentodetemperatura. OstermistoresdotipoPTC,aocontrário,têmocoe ciente térmico positivo, aumentando sua resistência com o aumento de temperatura. Este último émenos comum que osNTC.
Quando um termistor é selecionado para uma aplicação especí ca, a resistência mínima(aaltastemperaturas,paraumtermistorNTC)deveseraltaosu cientepara evitar asobrecarga dodispositivode leitura. Da mesmaforma, aresistência máxima (a baixas temperaturas) não deve ser tão grande a ponto de o ruído tornar-se um sério problema. A faixa de resistência típica de termistoresé de
2000 Ω
a5000 Ω
.AEquação1.4relacionaresistênciacomtemperatura,paraumtermistorNTC [5].
R = R
0
e
β
1
T
−
1
T0
(1.4) onde:R
éa resistência do termistoratemperaturaT
;R
0
é aresistência do termistornatemperaturade referênciaT
0
;β
é uma constante domaterialque variade3000
a5000 K
;T
eT
0
são temperaturas absolutas, emK
.Devido a dependência exponencial, a sensibilidade de um termistor, mostrada na Equação 1.5, é obtidaa partir daEquação 1.2 [5].
S =
∆R
R
∆T
=
−
β
T
2
(1.5)A determinação precisa da temperatura deve ser feita medindo-se a resistência e usando-se umatabelade calibração. NaFigura1.4, podem-seobservarcurvastípicas para uma família de termistores NTC [11]. A linearidade da saída do termistor pode ser melhorada usando-se circuitos potenciométricos modi cados, no entanto, esses circuitos reduzem a sensibilidade e a saída do termistor, não sendo, então, recomendados.
Figura 1.4: Curvas características de termistores NTC, comparadas a um RTD de platina.
Por exemplo, para um termistor de
β = 4000 K
eT = 298 K
, asensibilidade é igual a-0,045/K, bemmaior queade umRTDde platinaqueapresentaumasensibilidade de 0,0035/K. A alta sensibilidade dos termistores resulta em grande amplitude do sinal de saída, além de boaexatidão e boaresolução.Os termistores são utilizados, normalmente, para aplicações com temperaturas entre
0
◦
C
e
150
◦
C
. Acima deste valor, a estabilidade domesmo começa a decrescer signi cativamente, prejudicando a medição[12].
Os erros resultantes dos efeitos da resistência do o de ligação são geralmente pequenos o su ciente para permitir que sejam desprezados, mesmo para os relati-vamente longos. Isso acontece, pois, a resistência do termistor é muito maior que a resistência dos os de ligação. Alémdisso,como asensibilidadedotermistoré muito alta, as mudanças em sua resistência, devido a variações de temperatura, são muito superiores àspequenas variações de resistência dos os de ligação.
Erros de medida de temperatura podem ocorrer devido aoefeito de auto-aqueci-mento do elemento transdutor. Este efeito se deve à corrente gerada pela própria alimentaçãodo sensor, enão devido à variaçãode temperaturado ambiente, ocasio-nandoum aumentodatemperaturadomesmo,mascarando amedição. Destaforma,
recomenda-sequeacorrentemáximaaserutilizadasejatalqueadissipaçãode potên-cia corresponda a uma variação de temperatura menor que a exatidão desejada na mediçãode temperatura.
Ostermistores têm suas vantagensem relaçãoaoutrossensores de temperaturae são amplamenteusados na indústria. Como eles podem ser de pequenas dimensões, apresentam resposta rápida às variações de temperatura. Além disso, os termis-toressão bastanterobustos, possibilitandosua aplicaçãoem ambientes susceptíveisa choques e vibrações [5].
Avanços signi cativos na fabricação de termistores ocorreram nos últimos anos, permitindo que se obtenha estabilidade, reprodutibilidade e uma exatidão de 0,5% numafaixadetemperaturaespecí ca. Ostermistoresdeprecisãosãofabricadosdesde adécadade 80esuatecnologiatem evoluídobastante, noentanto,aindasãosensores relativamentecaros.
RTD
Resistance Temperature Detector, RTD, é um sensor de temperatura que tem como elemento transdutor um metal, cujas características resistivas são alteradas linear-mentecom a variação de temperatura.
Historicamente, os estudos da relação entre a resistência elétrica dos metais e a temperaturativeram início em 1821, com Humphry Davy. Entretanto, sua primeira aplicação em sensores ocorreu em 1871, quando Wilhelm Siemens utilizou a platina comoelementosensível. Sua rma(Siemens)produziuosprimeirossensores resistivos eos equipamentos utilizadospara amediçãode temperatura, mas teve problemasde estabilidade efalta de precisão nas medidas[3].
Em seguida, o físico inglês Hugh Longburne Callendar elaborou experimentos e melhorou sensivelmente o método. Callendar propôs uma equação parabólica para relacionar a resistência da platina à temperatura, a partir de resultados práticos obtidos com termômetro.
Maistarde, resistores de níquel e cobreforam introduzidoscomo uma alternativa maisbarataemrelaçãoàplatina. Em1925,VanDusenpropôsaadiçãodeumterceiro termo àequação de Callendar. Esse termoadicionalmelhorou aprecisão nafaixade temperatura entre o ponto de ebuliçãodo oxigênio até o ponto de congelamento da
água (
−
218
◦
C
a
0
◦
C
). As equações características dos RTDs são mostradas nas Equações1.6 e1.7 [13].
Para temperaturas entre -
200
◦
C
e
0
◦
C
:
R(T ) = R
0
[1 + AT + BT
2
+ C(T − 100)T
3
]
(1.6)Para temperaturas entre
0
◦
C
e850
◦
C
:R(T ) = R
0
[1 + AT + BT
2
]
(1.7) onde:R(T )
é a resistênciado RTD à temperaturaT
;R
0
é aresistência nominaldo RTD na temperatura de referênciaT
0
;T
é atemperaturaem◦
C
;
A
,B
eC
são coe cientes de calibração.Os fabricantes destes sensores fornecem essas equações características, explici-tandotodos oscoe cientes de calibração. Apartirdesses dadosfornecidos,podem-se conectar os RTDs a um sistema de monitoramento e determinar a temperatura de acordocomaresistênciamedida. Muitasvezes, aoinvésde umpolinômiodesegunda ordem,comomostradonaEquação1.7,osfabricantesfornecempolinômiosdeordens mais elevadas, como éocaso dos RTDscomerciais utilizadosnestetrabalho(que são caracterizados com um polinômiode sexta ordem).
Naprática,ofuncionamentode um RTDémuito simples. Aplica-seumacorrente constanteaosensor(correntede excitação)emede-se avariaçãodetensão correspon-dente nos terminais domesmo. Esta variação de tensão ocorre devido à variaçãoda resistência doRTD com atemperaturaambiente. Esses valoresde tensão são, então, convertidos em valores de temperatura, de acordo com o elementosensível utilizado. Para determinar a temperatura a partir de uma resistência medida, é necessário utilizar um conjunto de diferentes equações e coe cientes. Para temperaturas supe-riores a
0
◦
C
, porexemplo, deve-se utilizara Equação 1.8 [13].
T (
o
C) =
R
T
−
R
0
γR
0
+ δ
T
100
−
1
T
100
(1.8)onde:
R
T
éa resistência doRTD àtemperaturaT
;R
0
é aresistência nominaldo RTD na temperatura de referênciaT
0
;T
é atemperaturaem◦
C
;
γ
eδ
são coe cientes de calibração.As relações entre oscoe cientes desta equação (Equação 1.8) com os coe cientes daEquação 1.7, podem ser vistas nas Equações 1.9 e1.10.
γ = A + 100B
(1.9)δ =
100A
A + 100B
(1.10)Para determinar corretamente a temperatura utilizando a Equação 1.8, deve-se iterá-la no mínimo 5 vezes. O valor de temperatura calculado em cada uma das iterações deve convergir para seu valorreal.
ORTDéfabricadocomercialmenteemduascon guraçõesdiferentes: oenrolado ou lme no. Na con guraçãodo tipo oenrolado, aporção sensível doRTD é uma bobina de pequeno diâmetro, alta pureza, e, normalmente, constituída de platina, cobre ou níquel. Esta bobina é enrolada em núcleos cerâmicos e encapsulada em tubosde aço inoxidável.
Já na con guração de lme no, uma na camada de metal é depositada num substrato cerâmico. O RTD de lme no, ou planar, tem a vantagem de ser de fabricação mais simples e precisa, quando se utilizam técnicas de microeletrônica, além de poder ser fabricado em grande escala, com baixo custo. Por utilizarem técnicasdemicroeletrônicaemsuafabricação,osRTDsplanarespodemser utilizados na fabricação de sensores inteligentes integrados, isto é, sensores cuja eletrônica de condicionamento,processamentoecomunicaçãoseencontraemummesmochip,como será tratado noCapítulo5.
Cadaumdos metaisutilizadoscomoelementos resistivosdoRTD(platina,níquel e cobre), possui um comportamento conhecido da variação de sua resistividade com
Figura 1.5: Curvas característicaspara RTD de níquel, platinae cobre. a temperatura, como visto na Figura 1.5. A relação linear, entre temperatura e resistência do RTD, simpli ca a elaboração de um circuito de condicionamento de sinal, diminuindoconsideravelmente oscustos [13].
Basicamenteexistemtrês razõesquecon guramaseleçãodesses metaissobre ou-tros. Primeiramente, estes três metais são disponíveismuito próximos de sua pureza máxima. Isto é importante para assegurar constância e repetibilidade no processo de fabricação. Em segundo lugar, estes metaisoferecem uma excelente relação: tem-peratura
×
resistência. Quando não perfeitamente linear, eles são muito mais li-neares queoutros sensores, comotermopares. Por último,estes três metaisoferecem condições para seremprocessados em os extremamente nos [5].Aplatinaéometalquetemarelaçãoentre resistênciaetemperaturamaisestável, para amplas faixa de temperaturas (de
−
200
◦
C
a
850
◦
C
). Ela também é o metal menossusceptível àcontaminaçãodomeioambienteequeoferece maiorestabilidade em longo prazo. Como a resistividade da platina é maior que a de outros metais, o RTD de platina também pode possuir dimensões menores. Entretanto, trata-se de um metal de alto custo,inviabilizandosua utilizaçãoem aplicações mais simples.
O cobre tem uma relação bastante linear de resistência com temperatura, entre-tanto, oxida em temperaturas moderadas, causando problemas de estabilidade em longo prazo, enão pode ser usadoem temperaturas superiores a
150
◦
C
.
tem uma faixa de temperatura limitada, pois a variação de resistência com tem-peratura para temperaturas acima de
300
◦
C
torna-se muito não-linear. Dentre os três metais considerados acima,o níquel éo que tem maior sensibilidade.
Os fabricantes de RTDs comercias, além de especi carem o tipo de metal que é constituídooRTD,também especi camqualasua resistênciaàtemperaturade
0
◦
C
(resistência nominal). Osmais comuns são de
100 Ω
,mais também existem osde50
,200
,500
,1000
ou2000 Ω
. OsRTDsde níquel, porexemplo,são denominados respec-tivamenteosnomes: Ni-100,Ni-50,Ni-200,Ni-500,Ni-1000eNi-2000,deacordocom sua resistência nominal àtemperaturade0
◦
C
.
O coe ciente de temperatura,
α
, de um RTD é uma função do material (metal ou liga metáica) e do método pelo qual o elemento foi fabricado. O alfa descreve a mudançanaresistência doelementopor◦
C
variadopor
Ω
,dopontodegelo aoponto de ebulição daágua. Sua de nição pode ser vista naEquação 1.11 [4, 5, 14].α =
R
100
−
R
0
100 × R
0
(1.11) onde:
R
0
é aresistência do RTD natemperaturade referência0
◦
C
;
R
100
é a resistência doRTD a100
◦
C
.
O coe ciente de temperatura estabelece a inclinação da curva de calibração do RTD,independentemente da sua resistência nominal. Desta forma, ele pode ser uti-lizadoparacompararRTDseestabelecerpadrõesparaocomportamentodosmesmos. Exemplosdepadrõesinternacionaisqueconsideramocoe cientede temperaturasão:
DIN43760
,American
,IT S90/IEC751
.AsensibilidadedoRTDdependedotipode metalutilizado(coe cientede tempe-ratura)edasua resistêncianominal. Arelaçãoutilizadapara calcularasensibilidade édadapelaEquação1.12. ParaRTDscomresistêncianominalde
100 Ω
,porexemplo, as sensibilidades de RTDs de cobre, níquel e platina são dadas respectivamentepor: 0,427; 0,672e 0,385Ω
/◦
C
.
A Equação 1.13 relaciona a resistência do RTD à sua resistividade e dimensões (comprimento, largurae espessura).
R = ρ
l
wt
(1.13) onde:ρ
= resistividade dometal;l
= comprimento;w
= largura;t
=espessura.Sabendo que as dependências de cada um dos elementos da Equação 1.13 com a temperaturasão dadas pelas Equações1.14, 1.15 e1.16. Ocoe ciente
a
corresponde a expansão térmica do material. Comparando os coe cientes a eα
, observa-se quea α
. Considerando como exemplo o níquel, têm-se os seguintes valores para os coe cientes: a = 13,3×
10
−6
/◦
C
eα
= 0,006/◦
C
. Como o coe ciente a visto nas Equações1.14e1.15édesprezívelquandocomparadocomocoe ciente
α
daequação 1.16, percebe-se que a variação da geometria com a temperatura praticamente não in uencia nasensibilidade nal doRTD.l = l
0
(1 + a∆T )
(1.14)A = A
0
(1 + 2a∆T )
(1.15)ρ = ρ
0
(1 + α∆T )
(1.16)onde:
l
= comprimentona temperatura considerada;A
= área (t×
w) natemperaturaconsiderada;ρ
= resistividade dometal;l
0
=comprimentonatemperatura0
◦
C
;A
0
=área na temperatura0
◦
C
;ρ
0
=resistividade do metalna temperatura0
◦
C
Destaforma, desprezando-sea in uência datemperaturanas dimensões doRTD, o
α
utilizado na Equação 1.16 pode ser considerado o mesmo do coe ciente de tem-peratura apresentado anteriormente.A resistividade doRTD, por sua vez, depende da temperatura,impurezae defor-mação dometal constituinte. Esta dependência pode ser percebida a partir daregra Matthiessen para metais condutores, apresentada naEquação 1.17 [13].
ρ(total) = ρ(temperatura) + ρ(impurezas) + ρ(
deformação)
(1.17) Assim, para minimizar os efeitos das impurezas e deformações sobre a resistivi-dade, o RTD deve ser cuidadosamente projetado e fabricado com materiais apropri-ados. O desempenho de um RTD depende fortemente de como foi projetado o seu encapsulamento. Eles são frágeis e podem falhar se submetidos a esforços, choques ou vibrações. A maioria dos sensores usados em aplicações industriais tem o metal sustentado por cerâmica ou tubos de vidro. Infelizmente, a faixa e exatidão de tais sensores são limitados em alguns graus pela in uência do encapsulamento. Desta forma,ossensoresmaisprecisossãofabricadoscomummínimodesustentação,sendo, por conseqüência, menos recomendados para trabalhos em ambientes susceptíveis a choques e vibrações.Outra fonte de erro é o efeito de auto-aquecimento do sensor que depende da corrente de excitação aplicada. A corrente que passa pelo elemento sensor deve ser tão grande quantonecessário para que a tensãogerada nasaída seja su cientemente maiorqueosníveisderuído. Noentanto,quantomaioracorrente,maioréoefeitode auto-aquecimento dosensor e maior será a resistência do RTD medida. É preferível que a corrente de excitação seja a menor possível, normalmente em torno de
1 mA
, para minimizaresse efeito [12, 15, 16].Vale salientar que a maneira escolhida para a conexão dos os de medição ao RTD também é outra considerável fonte de erro. Dependendo da técnica que se use para mediravariaçãodaresistência dosensorem função datemperaturasubmetida, podem-seinserirmaisoumenoserrosdemedição. Ascon guraçõesdeconexõesserão tratadasno Capítulo5.
1.3 Sensores Inteligentes
Atualmente, com o avanço da microeletrônica, novas técnicas de condicionamento de sinais e comunicação para sensores e atuadores estão sendo desenvolvidas. Par-ticularmente, têm-se investido muitos esforços nafabricação dos chamados sensores inteligentes integrados. São considerados sensores inteligentes integrados, todos aqueles que possuem o transdutor propriamente dito, a eletrônica de condiciona-mento, uma interface digital de comunicação e detenham algum tipo de inteligência (auto-teste, auto-identi cação, auto-calibração, auto-validação ou auto-adaptação) embarcados num mesmochip.
Oaumentoda demanda pelos sensores inteligentes se deu devido à grande prati-cidadedos mesmoseaobarateamentodos custoscomsua utilização. Aincorporação de inteligência e de uma interface de comunicação no sensor possibilita sua inte-graçãocomtodoosistema,uma vezque oprotocolo decomunicação éembarcadono próprio chip. Desta forma, pode-se conectar ossensores em barramento, diminuindo consideravelmente acomplexidade e quantidade de cabeamentoutilizada e,por con-seqüência, baixando os custos. Com o objetivo de uniformizar a implementação de sensores inteligentes foi criada anorma IEEE 1451.
1.3.1 IEEE 1451
Transdutores,quepodemsersensores ouatuadores,atendemaumagrandevariedade denecessidades daindústria,dosetorautomotivo,aeroespacial,predial,biomedicina, entre outros. Uma vez que o mercado de transdutores é muito diversi cado, seus fabricantes vêm procurando uma maneirade construí-los abaixo custo eprepará-los para serem colocados em rede. Devido à grande quantidade de redes de controle existentes, cada qual com suas vantagens e desvantagens para aplicaçõesespecí cas, desenvolver a interface dos sensores inteligentes para todas essas redes de controle requer grande esforço, além do alto custo para os fabricantes. Com o intuito de permitirqueostransdutoresinteligentes pudessemser facilmenteutilizadosem redes de controle, utilizando o conceito de plug-and-play, padrões universais como o IEEE 1451 foramdesenvolvidos.
o comitétécnico de tecnologia de sensores da sociedade de instrumentação emedida do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) se reuniram para discu-tirsobre interfaces de comunicação de sensores inteligentes e apossibilidadede criar padrões de interface. Foram criados grupos de trabalho para abordar diferentes as-pectos dos padrõesde interface. Atualmente, anormaIEEE 1451 consistede quatro normas eduas propostas de norma que são comentadas a seguir [17, 18].
IEEE 1451.1
Padrão aprovado em 1999. O objetivo deste padrão de interface de transdutores éutilizartecnologiasderede decontroleexistentes edesenvolvermétodosde conexão padronizados para transdutores inteligentes para redes de controle. Pouca ou ne-nhuma alteração seria necessária para utilizaçãode diferentes métodos de conversão analógico-digital, diferentes microprocessadores ou diferentes protocolos de rede e transceptores. Esse objetivo é alcançado através da de nição de um modelo de ob-jetocomumparaoscomponentesdeumaredede transdutoresinteligentes,juntocom as especi cações de interface paraestes componentes [18,19].
Portanto, esse padrão de ne um modelo de objeto com interface de rede neutra paraconectar processadores aredesde comunicação,sensores eatuadores. Omodelo deobjeto,contendoblocos,serviçosecomponentesespeci cainteraçõescomsensores eatuadores e formaa base paraimplementação docódigode aplicaçãoexecutado no processador (Network Capable Application Processor - NCAP) [19].
IEEE 1451.2
Aprovado em1997,esse padrãofoioprimeiroaser nalizado. Esse padrãode neum padrãode interfacede hardware paraconectar um módulode interfacede transdutor inteligente(Smart Transducer InterfaceModule -STIM) aum NCAP parauma con- guração ponto-a-ponto. O padrão não inclui especi cações para condicionamento de sinais ouconversão de dados, porém fornece um mecanismo paraespeci cação do conjunto: transdutor, condicionamentode sinal e conversão do sinal pata o resto do sistema. Essemecanismoéafolhaeletrônicadeespeci caçõesdedadosdotransdutor
(Transducer Electronic Data Sheet - TEDS) [18,20].
A TEDS é uma estrutura de informações que contém informações críticas do sensor, permitindo a operação de plug-and-play dos mesmos. A TEDS reside na memória EEPROM embarcada no sensor e é acessada pelo sistema de medição via uma interface serial simples. O padrão IEEE especi ca diversos formatos de TEDS paradiferentestiposdesensores. Dentrodosformatosde nidos,osfabricantespodem ainda criar formatos que podem substituir ou acrescentar informações aos formatos de nidos pelo IEEE. As informações da TEDS são divididas em várias seções. A primeirapartedaTEDS,chamadaTEDSbásica,contéminformaçõesdeidenti cação como: fabricante, número do modelo, número de série, entre outros. Em seguida, pode-se encontrar uma seção, chamada TEDS padrão, com informações especí cas como: faixa de medição, faixa elétrica de saída, sensibilidade, potência requerida e dados de calibração. Essa seção descreve toda a informação necessária para realizar uma medida utilizando o sensor. A última porção da TEDS é disponibilizada para o usuário para armazenar dados e informaçõesdentro do sensor como, porexemplo, localizaçãodo sensor[21].
Opadrãoespeci caTEDSquesuportaumaamplavariedadedetransdutoresassim como umainterfacedigital para acessaraTEDS, lersensores e ajustar osatuadores. Descreve uma camadade comunicação baseada em SPI(Serial Peripheral Interface) com linhas de hardware adicionaispara controle de uxo e tempo[20].
IEEE 1451.3
Padrão aprovado em 2003. De ne uma interface digital para múltiplas conexões de transdutores sicamenteseparados de um processador(NCAP) sobreum par de os. Ainterfacepodesuportarasformasdetransferênciasdedadosassíncronaeisocrônica. Sãode nidos muitosformatosde TEDSeseus dados. Ainterface elétrica,protocolos de identi caçãode canal, protocolos de sincronização temporal, funções de leitura e escrita para acessar a TEDS e transdutores com ampla variedade de características são de nidos. Esse padrão não especi ca condicionamento de sinais, conversão de sinais ou como uma aplicaçãoutiliza a folha eletrônica de especi cação de dados do transdutor (TEDS) [18,22].
Esse padrão utiliza a técnica desenvolvida para implementar redes em lares, in-terconectandoosdispositivosem linhatelefônicas. Paraesse padrão,oparde condu-tores é utilizado para: fornecer aquisição de dados sincronizada para uma matrizde transdutores, comunicação com uma matriz de módulos de interface de barramento de transdutores (Transducer Bus Interface Modules - TBIM) e fornecer alimentação para operação de transdutores nobarramentoe sua eletrônica associada [22].
Ostransdutores construídoscom esse padrãopodem ser conectadosaum sistema compatível com o padrão IEEE 1451.3 e ser utilizado sem a necessidade de drivers especiais, per s ou fazer qualquer outra alteração no sistema. As folhas de dados (TEDS) desse padrão permitem a auto-identi cação dos transdutores. As TEDS contêm campos que descrevem completamente o tipo, a operação e atributos de um oumais transdutores[22].
Ainterface de transdutordescritanopadrãoIEEE 1451.3 éadaptável àinterface descritanopadrãoIEEE 1451.2 ecompatívelcomomodelode informaçãodopadrão IEEE 1451.1 [22].
IEEE 1451.4
Esse padrão, aprovado em 2004, de ne o protocolo e interface que permite trans-dutoresanalógicos secomunicarem com informaçãodigital com oobjeto IEEE 1451. Também de ne o formato da folha de dados (TEDS) do transdutor. A TEDS do transdutor é baseada no padrão de TEDS doIEEE 1451.2. Opadrão não especi ca o design do transdutor, condicionamento de sinal ou uso especí co da TEDS. Ele simpli ca o desenvolvimento de transdutores inteligentes de modo misto, de nindo blocos de hardware esoftware quesão independentes de redes de controle especí cas [18, 23].
Opadrãodescreve um transdutor IEEE 1451.4 contendo uma interface de modo misto (Mixed-Mode Interface -MMI) e uma folha eletrônica de dados do transdutor (TEDS).DescreveoMMI,queéumaconexãomestre-escravo,serialemultiponto,que requerum dispositivomestreparainicializarcadatransação comcadaescravo ounó, de acordo com um protocolo de comunicação digital de nido. O MMI, que também é usado para acessar as TEDS, pode conter circuitos para detectar e reportar uma
trocaquentede transdutores. OMMI pode usartantoconexõesdigitais eanalógicas separadas oudois os para alimentaçãoesinais analógicos edados de TEDSdigitais em tempocompartilhado [23].
OpadrãotambémdescreveasTEDS, quepossuemdados xosedinâmicos, conti-dasemumaoumaisposiçõesdememórianoMMI.Descreveaindaummodelopadrão de objeto de software para descrição da estrutura de dados das TEDS. O modelo é implementadonalinguagemde descriçãode modelo(Template DescriptionLanguage - TDL)que ca dentro doblocotransdutor. Essa linguagem também é descritapelo padrãoIEEE 1451.4 [23].
O padrão IEEE 1451.4 descreve o bloco transdutor que é utilizado para aces-sar, codi car e decodi car TEDS usando o TDL. Esse padrão de ne um conjunto de modelos de TEDS para vários transdutores para facilitar a criação de sistemas de sensores contendo transdutores inteligentes plug-and-play. O padrão de transdu-tores IEEE 1451.4 fornece uma capacidade de auto-descrição através das TEDS. As TEDS possuem campos que descrevem a identidade, o tipo, a operação e atributos dotransdutor.
Opadrãode transdutoresIEEE 1451.4 é um sensor ouatuadorcom um ou mais dispositivos endereçáveis, referidos como nós, num barramento digital de dois con-dutores. A TEDS é requerida para ser sicamente ou virtualmente associada ao transdutor IEEE 1451.4. A partição de hardware resultante encapsula os aspectos de medição dentro do transdutor IEEE 1451.4, enquanto os aspectos de aplicação relacionados devem residir tantono NCAPquanto nas TEDS [23].
IEEE P1451.5
Essa propostade normade neumainterfaceentre transdutoreNCAPpara transdu-toressem o. Estãosendoconsideradosparaainterfacedecamadafísicadessepadrão algunsprotocolosde comunicaçãosem ocomo: 802.11(WiFi),802.15.1(Bluetooth) e 802.15.4(Zigbee).
Oobjetivoéser possívelobter amesmainformaçãodosensorapartirde sensores sem o implementados com qualquer um desses três protocolos de comunicação sem o. Ele também de ne a folha eletrônica de dados do transdutor (TEDS) para os
protocolosde rádio especí cos e camadasde rede OSI[18, 24]. IEEE P1451.6
Esse padrão ainda é uma proposta e está sob desenvolvimento. De ne uma inter-faceentretransdutor eNCAPeTEDSutilizandointerfacede redede altavelocidade CANopen. São consideradas tanto as aplicações intrinsecamente seguras quanto as não-intrinsecamente seguras. De ne um mapeamento da TEDS 1451 para os re-gistros do dicionário do CANopen, assim como mensagens de comunicação, dados de processo, parâmetros de con guração e informações de diagnóstico. Ele adota o per l dedispositivoCANopen paradispositivosdemediçãoecontroladoresde malha fechada [18].
A criação destas normas foi de fundamental importância para aumentar a inte-graçãoentre ossensoresinteligentes desenvolvidos pelosdiversosfabricantes, alémde incentivarosurgimento de dispositivosauxiliares como oUFDC-1,que será vistono Capítulo5 naSeção 5.3.2.
1.4 Escolha do sensor de temperatura
O estudo das principais características dos sensores de temperatura (termopar, ter-mistor e RTD) foi de fundamental importânciapara a de nição de qual sensor seria fabricadoneste trabalho.
É importante lembrar que a idéia deste trabalhoé fabricar um sensor de tempe-raturaquepossaserintegradocomumaeletrônicadecondicionamentoecomunicação SOI, viabilizandosua utilizaçãoem poços de petróleo. Para tanto, pode-se destacar algumas características necessárias ao sensor de temperatura escolhido: robustez, durabilidade,linearidade, precisãoe facilidade de integração com microeletrônica.
Baseadonas característicasdossensores expostas anteriormente, para aaplicação escolhida, seria inviável a utilizaçãode termistores, uma vez que estes não são apro-priadospara trabalharaaltas temperaturas(
200
◦
C
),como será exigidoem poçosde petróleo.
No entanto, a necessidade de uma junção de referência e o sinal ser uma diferença de potencialaplicadaa um nó de altaimpedânciae por issomesmo bastante sujeito a interferência; considerando ainda que a precisão do RTD ser muito superior à dos termopares. Além disso, o RTD possui duas características fundamentais para a aplicaçãoescolhida.
Aprimeiradizrespeitoasualinearidade. Arespostalineardestessensoresimplica numa diminuição daeletrônica de condicionamentoa ser utilizada.
OutraimportantecaracterísticadoRTDplanareséafacilidade de sua integração em chips eletrônicos, diminuindo a complexidade da sua incorporação em sensores inteligentes. A fabricação de RTDs planares é realizada através de técnicas de mi-croeletrônica, possibilitando a sua produção em larga escala e conseqüentemente diminuindoos custosde fabricaçãodos mesmos.
Devido aos fatos acima expostos, juntamente com a infra-estrutura disponível no Laboratório de Dispositivos e Nanoestruturas, LDN, da Universidade Federal de Pernambuco, optou-se por focar este trabalho na fabricação de RTDs planares e na elaboração de um protótipo para a eletrônica de condicionamento e comunicação utilizando componentes comerciais, como será visto nos próximoscapítulos.
1.5 Organização da Dissertação
Essa dissertação está dividida em seis capítulos. Uma breve descrição do assunto abordado em cada capítulodeste trabalhopode ser vistoem seguida:
Capítulo 1 - Introdução
Neste capítulo,é apresentado um estudo dos principaistiposde sensores de tem-peratura utilizados em aplicações industriais, da norma IEEE 1451 e a justi cativa para a escolhadosensor de temperatura resistivo(RTDplanar) nesta investigação. Capítulo 2 - Fabricação de RTDs Planares
Noinício docapítulo2,será realizadauma breve explanação teóricasobre alguns dos possíveismétodos utilizadosem cadaumadas etapasdefabricaçãoea importân-ciadasmesmas. Emseguida,detalhar-se-ãotodas asfabricaçõesrealizadas, expondo
os principaisproblemas encontrados.
Capítulo3-PlanejamentoExperimentalparaFabricaçãodeRTDsPlanares Neste capítuloserá abordado um arranjo experimentalpara a otimizaçãode pro-cessos. Após aexplanação teórica, ométodoserá aplicadopara otimização das prin-cipais etapas da fabricação de RTDs e serão realizadas algumas considerações dos resultados obtidos.
Capítulo 4 - Caracterização dos RTDs Fabricados
Neste capítulo,serão explicados os métodos utilizadosneste trabalhopara carac-terização física eelétrica dos sensores fabricados e osprincipaisresultados obtidos. Capítulo 5 - Implementação de Protótipos de Sensores Inteligentes
Nestecapítuloserãoapresentadasduaspossíveiscon guraçõesdecondicionamento ecomunicação utilizando componentes comerciais. Estas con guraçõesservirão para a construçãode uma especi cação dosensor de temperaturainteligente.
Capítulo 6 - Conclusão
Esteúltimocapítulotrazasconsiderações naiseconclusões, sugerindoatividades futuras para dar continuidade aotrabalhojá realizado.
Fabricação de RTDs Planares
2.1 Introdução
O RTD pode ser fabricado comercialmente em duas con gurações diferentes: o enrolado(wire-wound)e lme no. A primeirapossuicomo porçãosensível doRTD, uma bobina de pequeno diâmetro, alta pureza, normalmente construída de platina, cobre ou níquel. A segunda con guração possui como sensor, uma na camada de algum destes metais,depositadanum substrato cerâmico.
ORTDde lme no tem avantagem de ser de fabricaçãomais simples eprecisa, quandoseutilizamtécnicasdemicroeletrônica,alémdepoderserfabricadoemgrande escala, diminuindo os custos. Dessa forma, unindo-se os conhecimentos de técnicas de fabricação da microeletrônica, juntamente com a infra-estrutura disponibilizada noLDN/UFPE, deu-se inícioao estudo eà fabricaçãodesse tipode sensor.
Afabricaçãoécompostabasicamentedasseguintesetapas: projeto,limpezaRCA, evaporação, recozimento, fotolitogra a e corrosão. Na Figura 2.1 é apresentada a seqüência das etapas realizadas para aobtenção do sensor de temperatura.
Para facilitar o entendimento do processo de fabricação realizado no LDN (que será visto naseção 2.3), napróximaseção será abordadauma explanação teóricado processo comumente utilizado na fabricação de RTDs de lmes nos. Na seção 2.4,
porsua vez, será vistaaconclusãodométodode fabricaçãoutilizado,explicitandoos resultados obtidos eas liçõesaprendidas noprocesso.
2.2 Revisão Teórica 2.2.1 Projeto do RTD
Projetar um RTD signi ca escolher seus elementos constituintes (metal e substrato) eseus parâmetros físicos(comprimento,largura eespessura). Estes fatores combina-dos de nem características como: linearidade, faixa de operação e valor nominalda resistência. Destaforma, aetapa de projetoé fundamentalna fabricaçãodo RTD. Metal e Substrato
O RTD planar é constituído de um substrato cerâmico e uma na camada de metal. Portanto,antesde sedarinícioaoprocessode fabricação,escolhem-seometal e substrato queserão utilizados para comporo sensor.
Os substratos cerâmicos são materiais inorgânicos sólidos e não-metálicos. São duros, quebradiços, refratários, isolantes térmicos, isolantes elétricos, não magnéti-cos, resistentes à oxidação e quimicamente estáveis. Os silicatos, óxidos, carbetos, nitretos e aluminatos são alguns tipos de materiais cerâmicos, cada qual com suas característicasespecí cas.
Para o caso especí co de sensores de temperatura (RTDs), um substrato bas-tante utilizadoé a alumina(
Al
2
O
3
). Essa cerâmica, além de possuir as característi-cas citadas anteriormente, suporta bem as variações de temperatura, sem provocar tensionamento mecânico no substrato, não se deforma quando submetida a esforços mecânicos e éde baixocusto quando comparada aoutras cerâmicas [25].Osmetais comumente utilizadosna constituição dos RTDs são: platina, níquel e cobredealtapureza. Dependendodaaplicação,uns sãomaisapropriadosqueoutros. Nocasodaaplicaçãode RTDsparamonitoramentodepoçosedutosde petróleo,por exemplo,onde atemperaturade operaçãoexigidaestá entre
50
◦
C
e
250
◦
C
osmetais mais indicados são: platina ou níquel. Na Tabela 2.1 são apresentadas as faixas de operação desses sensores.
Tabela 2.1: Faixade temperatura dos RTDsde acordocom o metal. Tipo de RTD Temperatura Platina -
200
◦
C
a850
◦
C
Níquel -50
◦
C
a300
◦
C
Cobre -30
◦
C
a150
◦
C
Máscara Litográ caA máscara litográ ca é um material transparente, de vidro, cristal ou quartzo, coberto por um materialopaco, porexemplo o cromo. Construída para ser utilizada na etapa de litogra a óptica da fabricação, servindo de molde para o RTD, ela de-terminaocomprimentoealargura domesmo,podendo ser reutilizadaem cada nova fabricação.
Cadamáscaraprojetadacontémváriosdesenhos deRTDs,assim,em umamesma fabricação são produzidos diversos sensores. Além dos sensores também são dese-nhadasnas máscaras estruturas de testeque servirãopara determinara resoluçãodo processo de fabricação.
As estruturas de testes são linhas e quadrados micrométricos,cada vez menores. No naldafabricação,avaliam-seessasestruturasanalisandoseasquinasdos quadra-dosestãopontiagudasouarredondadas, seaslinhasparalelasestãouniformesou des-gastadaslateralmenteesehouvealgumrompimentodas mesmas. Tudoissopodeser observado porum microscópioópticooueletrônico e,apartirdos resultados obtidos, podem-seconsiderar desenhos de RTDs menores.
Resistência do RTD
Normalmente,nestaetapa,determina-sequalseráaresistência nominaldosensor à temperatura de
0
◦
C
. O RTD é nomeado de acordo com essa característica. Por exemplo,o Cu-50éum RTD de cobrecom resistência de
50 Ω
a0
◦
C
, oPT-100é um RTD de platina com resistência de
100 Ω
a0
◦
C
, já o Ni-1000 é um RTD de níquel com resistência de
1000 Ω
a0
◦
C
.
Comoo comprimento e alargura já são pré-determinados com a escolhada más-cara litográ ca, a espessura dometal a ser depositado será aresponsável pela
deter-Figura 2.2: Dimensões doRTD. minação dovalorda resistência dosensor a
0
◦
C
. Na Figura 2.2 tem-se um desenho ilustrativocom as dimensõesdo RTD.
A Equação 1.13 mostra a relação entre a resistência do RTD e suas dimensões (comprimento, largurae espessura).
Sabendo-searesistividadedometalàtemperatura
0
◦
C
ede nindo-searesistência desejadaaessa mesmatemperatura,calcula-seaespessuradometalaser depositado. Vale salientar que esse é um cálculo preliminar, pois a resistividade do lme metálico normalmente é diferente da resistividade do metal em sua forma maciça. Isto ocorre uma vez que parâmetros como a rugosidade do substrato, o grau de im-purezas durante o processo de deposição do lme metálico, o método de deposição propriamente dito e a uniformidade do metal depositado podem in uenciar o valor nal da resistividade do metal. O cálculo mais preciso da espessura a ser deposi-tada só é possível atravésda caracterização do lme metálico,onde será analisadaa resistividade real do lme,como será visto noCapítulo 4.
2.2.2 Limpeza RCA
Antes de iniciar o processo de fabricação, os cilindros de metal a serem evaporados, o substrato cerâmico e a cesta devem passar pelo processo de limpeza RCA. Esse processoéresponsável pelaeliminaçãodosresíduosorgânicos dasuperfíciedos mate-riais,melhorandoaaderênciaentreometaleosubstrato. Aqualidadedaaderênciaé de fundamentalimportânciaparaevitar problemas de descolamento,que prejudicam bastante ofuncionamentodo sensor.
