Định nghĩa về cảm biến nhiệt nhiệt độ CMOS

Cảm biến nhiệt độ là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành công nghiệp cảm biến do nhu cầu giám sát và kiểm soát nhiệt độ trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ máy tính cá nhân, điện thoại di động, thiết bị y tế, đến các ngành công nghiệp như năng lượng hạt nhân hay sản xuất. Trong vài thập kỷ qua, cảm biến nhiệt độ dựa trên công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) đã trở nên ngày càng phổ biến nhờ sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp vi mạch tích hợp (IC) và yêu cầu quản lý nhiệt hiệu quả trong các mạch tiêu tốn nhiều năng lượng.

Các cảm biến nhiệt độ CMOS không chỉ có chi phí thấp mà còn dễ tích hợp trên các vi mạch, giúp chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng hiện đại. Bài viết này sẽ trình bày các nguyên lý hoạt động, thiết kế, và ứng dụng của cảm biến nhiệt độ CMOS, dựa trên các khái niệm quan trọng như VPTAT (Điện áp tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối) và IPTAT (Dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối).

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ CMOS

1. Cảm biến nhiệt độ dựa trên diode (Thermodiode)

Cảm biến nhiệt độ CMOS chủ yếu dựa trên nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn. Điện áp thuận của diode giảm tuyến tính khi nhiệt độ tăng, khi diode được điều khiển bởi một dòng điện thuận không đổi. Công thức cơ bản của điện áp thuận trong diode bán dẫn được mô tả bởi:

Trong đó:

• V: điện áp thuận qua diode
• I: Dòng điện thuận
• Is: Dòng bão hòa ngược của diode, phụ thuộc vào nhiệt độ
• k: Hằng só Boltzmann
• q: Điện tích electron
• T: Nhiệt độ tuyệt đối

Thông thường điện áp thuận của diode thường giảm khoảng -2.1 mV/K (đối với silicon) trong vùng nhiệt độ hoạt động từ -55°C đến 150°C, điều này làm cho diode trở thành cảm biến nhiệt độ tuyến tính và đáng tin cậy trong khoảng nhiệt độ này.

2. Cảm biến nhiệt độ dựa trên transistor (Thermotransistor)

Cảm biến nhiệt độ dựa trên transistor hoạt động dựa trên sự thay đổi điện áp giữa cực base và emitter (V_BE) theo nhiệt độ. Công thức mô tả V_BE là:

Trong đó, I_c là dòng điện qua cực collector. Ngày nay, các kỹ sư thường sử dụng kỹ thuật hai dòng điện khác nhau I_C1và I_C2 để tăng độ chính xác, từ đó tinh toán sự chênh lệch điện áp ∆VBE:

Phương pháp này loại bỏ sự phụ thuộc vào các yếu tố vật liệu và hình học, làm tăng độ chính xác của cảm biến nhiệt độ.

3. Mạch tham chiếu Bandgap

Mạch tham chiếu Bandgap là một phần quan trọng trong các cảm biến nhiệt độ CMOS hiện đại. Nó tạo ra một điện áp tham chiếu ổn định (khoảng 1.2V) không phụ thuộc vào nhiệt độ bằng cách kết hợp điện áp có hệ số nhiệt độ âm ∆V_BE và điện áp có hệ số nhiệt độ ∆V_BE:

Trong đó, k là hệ số khuếch đại. Mạch này không chỉ cung cấp điện áp tham chiếu ổn định mà còn có thể được sử dụng để đo nhiệt độ tuyến tính với độ chính xác cao.

Thiết kế cảm biến nhiệt độ CMOS

Các cảm biến nhiệt độ CMOS hiện đại thường được tích hợp trong các vi mạch thông minh, bao gồm bộ xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi ADC và các mạch điều khiển logic. Thiết kế cảm biến nhiệt độ CMOS có thể chia thành ba loại chính:

1. Cảm biến nhiệt độ tương tự (Analog): Sử dụng tín hiệu VPTAT hoặc IPTAT để đo nhiệt độ. Các cảm biến này có độ chính xác từ 0.5% đến 2% và thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh.
2. Cảm biến nhiệt độ số (Digital): Tích hợp bộ chuyển đổi ADC để xuất tín hiệu số, dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển. Loại cảm biến này phù hợp cho các ứng dụng như điện thoại, máy tính và thiết bị điện tử tiêu dùng.
3. Cảm biến nhiệt độ PWM: Sử dụng biến đổi tỉ lệ xung để mã hóa nhiệt độ. Phương pháp này thường sử dụng trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ đơn giản.

Ứng dụng, triển vọng và hạn chế của cảm biến nhiệt độ CMOS

Cảm biến nhiệt độ CMOS đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Trong ngành điện tử, chúng được sử dụng để giám sát nhiệt độ của CPU, GPU, pin và các mạch điện tử khác, giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tránh tình trạng quá nhiệt. Trong lĩnh vực y tế, cảm biến này được tích hợp vào các thiết bị đo nhiệt độ cơ thể hoặc giám sát nhiệt độ trong các thiết bị y tế quan trọng. Trong công nghiệp, chúng hỗ trợ đo lường và kiểm soát nhiệt độ trong các quy trình sản xuất, nhà máy điện, cũng như trong các cảm biến ô tô. Đối với điện thoại và thiết bị thông minh, cảm biến nhiệt độ CMOS được sử dụng để giám sát nhiệt độ pin và các linh kiện bên trong, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Đặc biệt, trong những môi trường khắc nghiệt như nhà máy hạt nhân hoặc không gian vũ trụ, cảm biến này vẫn đáp ứng tốt yêu cầu nhờ khả năng hoạt động bền bỉ và đáng tin cậy.

Mặc dù cảm biến nhiệt độ CMOS có nhiều ưu điểm như chi phí thấp, khả năng tích hợp cao và độ nhạy tốt, nhưng cũng có một số giới hạn về nhiệt độ và độ chính xác. Về nhiệt độ, cảm biến CMOS thường hoạt động tốt trong khoảng từ -55°C đến 150°C. Trong các ứng dụng nhiệt độ cao hơn (như 200°C - 600°C), cần sử dụng các công nghệ đặc biệt như SOI (Silicon On Insulator) để cải thiện độ bền nhiệt. Đối với độ chính xác, mặc dù độ chính xác của cảm biến CMOS là đủ tốt cho hầu hết các ứng dụng, nhưng vẫn thấp hơn so với cảm biến nhiệt độ RTD (Resistive Temperature Detector) hoặc nhiệt điện trở. Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ vi mạch, các cảm biến nhiệt độ CMOS ngày càng được cải thiện về độ chính xác, dải nhiệt độ hoạt động và khả năng ứng dụng.

Kết luận

Cảm biến nhiệt độ CMOS đã và đang trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nhờ vào những ưu điểm vượt trội về chi phí, khả năng tích hợp, và hiệu suất. Với sự phát triển của các công nghệ tiên tiến như SOI và mạch tham chiếu Bandgap, cảm biến nhiệt độ CMOS hứa hẹn sẽ tiếp tục mở rộng ứng dụng, đặc biệt trong các lĩnh vực yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác và đáng tin cậy. Công nghệ cảm biến nhiệt độ CMOS không chỉ giúp cải thiện hiệu suất hệ thống mà còn góp phần quan trọng trong việc tối ưu hóa năng lượng và tăng cường độ tin cậy trong các thiết bị hiện đại.

‍