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\title{Projeto Teórico Eletrônica Digital- 2017.2}
\date{19-08-2017}
\author{Afonso, Ewelim, Natália, Rafael}
\begin{document}

\begin{titlepage}

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%----------------------------------------------------------------------------------------
%	HEADING SECTIONS
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\textsc{\LARGE Universidade Federal de Pernambuco}\\[1.5cm] % Name of your university/college
\textsc{\Large Departamento de Eletrônica e Sistemas - DES}\\[0.5cm] % Major heading such as course name
\textsc{\large Eletrônica Digital - ES441}\\[3.6cm] % Minor heading such as course title

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%	TITLE SECTION
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{ \huge \bfseries Sensores para funcionamento de uma Sala Limpa}\\[4cm] % Title of your document


%----------------------------------------------------------------------------------------
%	AUTHOR SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\begin {flushright}
\begin{minipage}{0.4\textwidth}
\begin{flushleft} \large
\emph{Grupo:}\\

Afonso de Sá Delgado Neto
\newline
Ewelim Dayane de S. Barros
\newline
Natália Souza Soares
\newline
Rafael Mendes Campello
\end{flushleft}
\end{minipage}


\begin{minipage}{0.4\textwidth}
\begin{flushleft} \large
\vspace{1cm}
\emph{\\Professor:}\\
Marco A. Benedetti Rodrigues
\emph{\\Professor Assistente:}\\
Erico Cavalcante
\end{flushleft}
\end{minipage}\\[2cm]
\end {flushright}
% If you don't want a supervisor, uncomment the two lines below and remove the section above
%\Large \emph{Author:}\\
%John \textsc{Smith}\\[3cm] % Your name

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%	DATE SECTION
%----------------------------------------------------------------------------------------
\vspace{-1cm}
\begin{table}[b]
\centering
{\large Recife, 23 de Agosto de 2017.}\\[3cm] % Date, change the \today to a set date if you want to be precise
\end{table}





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\vfill % Fill the rest of the page with whitespace
\end{titlepage}
\setcounter{page}{2}


\newpage
\pagenumbering{arabic}
\setcounter{page}{2}
\tableofcontents
\newpage


\begin{abstract}
\noindent
O presente trabalho tem como objetivo final o projeto de um sistema de sensores para o monitoramento do andamento de uma Sala Limpa aplicada à indústria eletrônica, no desenvolvimento de chips. Para isso, foi necessário um estudo acerca do funcionamento dessas salas, bem como diversas pesquisas sobre os tipos de sensores e de conversores A/D necessários, buscando sempre o melhor desempenho do projeto e justificando cada etapa.

\end{abstract}

\section{Introdução}

Uma sala limpa é um ambiente controlado tipicamente para manufatura na área farmacêutica ou científica devido à necessidade de um alto controle das condições físicas de acordo com objetivo do ambiente. Os objetivos principais  na utilização de condicionamento de ar para salas  limpas: manter  a temperatura  estável, controlar  o  nível  de  umidade  e  garantir  a  qualidade  do  ar, evitando contaminações. Dentre as condições a serem monitoradas, a presença de partículas é uma das mais desafiadoras e importantes.
\par
Em se tratando de salas limpas na indústria eletrônica para a fabricação de chips de circuitos integrados, a classificação geralmente utilizada é a ISO Classe 5, em que o limite máximo é de 3.520 partículas de 0,5 µm por m³ de ar. No padrão ISO Classe 1 para salas limpas é necessária a garantia de no máximo 12 partículas, de tamanho 0.3\micro m, por m³ enquanto um ambiente urbano típico possui cerca de 35.000.000 partículas/m³.
\par
Dessa forma, as especificações dos sensores e a forma como a automação de controle está desenvolvida são tópicos essenciais no estabelecimento de uma sala limpa e serão o tema central no desenvolvimento do presente projeto.
\par
A maior parte dos ambientes controlados é projetada tendo em vista quais equipamentos estarão presentes e quais condições são mais criticamente consideradas. Por exemplo, quando a presença de partículas tem grande importância, as salas procuram ter pressão interna maior que a externa de modo ao ar interno sair e não o contrário. Filtros de alta eficiência (HEPA) e de partículas pequenas (ULPA) também são frequentes de forma que os aparelhos e mecanismos para controle das condições são o princípio de funcionamento das salas limpas.
\par
Para o controle dos sistemas que mantêm as condições necessárias deve-se utilizar sensores e escolher de forma adequada os tipos de conversores analógico-digital que serão implementados para atuarem em conjunto com os aparelhos de controle da sala limpa. Neste trabalho, descreve-se a utilização de sensores, dando exemplos práticos e seu custo; o tipo de conversão analógico-digital utilizado e o esquemático do sistema de controle do ambiente de uma sala limpa para desenvolvimento de chips eletrônicos.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{Cleanroom1.jpg}
\caption{Sala Limpa para manufatura de microeletrônicos.}
\label{fig:cleanroom1}
\end{figure}

\section{Metodologia}

Como o objetivo do projeto era obter sensores necessários para o funcionamento de uma sala limpa para a fabricação de chips de Circuitos Integrados, fez-se, inicialmente, um estudo do funcionamento de tais salas, afim de discernir quais parâmetros eram necessários avaliar para o bom funcionamento delas.
\par
Foi necessário um breve estudo da NBR/ ISO 14644-4, a norma base para o projeto, construção e partida de salas limpas e ambientes controlados associados, verificando-se a classificação da norma mais adequada para a aplicação requerida, que consiste em um foco na indústria eletrônica, especificamente, na fabricação de chips.
\par
Em seguida, pesquisou-se exemplos práticos de cada tipo de sensor necessário e seus custos. Estudou-se também os tipos de conversores A/D para escolher qual conversor melhor se encaixaria nas especificações do projeto.
\par
Os sensores escolhidos foram:
\begin{itemize}
\item Kanomax 3716A - Sensor de Partículas a Laser
\item Texas Instruments LMT70 - Sensor de Temperatura
\item Honeywell HIH-5030/5031 - Sensor de Umidade
\item Honeywell ABPMANN030PG2A3 - Sensor de Pressão Atmosférica
\end{itemize}

\section{Sensores}
\subsection{Partículas}
O sensor de partículas escolhido é o Kanomax 3716A \cite{datasheet}. Este sensor utiliza uma medição de partículas a laser oferecendo um alto grau de precisão, de cerca de 37 milhões de partículas por metro cúbico, com tamanho médio das partículas entre 0.3 e 0.5 microns. O sensor de partículas possui 2 canais com saída analógica flexível de 4-20mA e alimentação de 24VDC.
\par
O custo desse sensor é de cerca de $\$3500.00$ e é utilizado em diversas aplicações além do monitoramento de salas limpas, tais como em aplicações aeroespaciais, em quartos cirúrgicos hospitalares ou até mesmo em indústrias alimentícias.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{3717A.jpg}
\caption{Sensor de partículas 3717A.}
\label{fig:3617A}
\end{figure}

\subsection{Temperatura}
O sensor de temperatura utilizado é o LMT70 da Texas Instruments \cite{datasheet2}. Este sensor possui boa precisão na medida (cerca de 0.05$^{\circ}$C para a faixe de 20 - 42$^{\circ}$C e cerca de 0.36$^{\circ}$C para a faixa total de -55 - 150$^{\circ}$C). Além disso, oferece uma saída analógica linear com a temperatura, de taxa -5.19 mV/°C.
\par
O custo aproximado de um sensor deste modelo é de  $\$13.00$, sendo utilizados mais de um no projeto de monitoramento da sala limpa.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{LMT70.jpg}
\caption{Sensor de Temperatura LMT70.}
\label{fig:LMT70}
\end{figure}

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{LMT70b.png}
\caption{Curva da incerteza na medida de temperatura do LMT70.}
\label{fig:LMT70-2}
\end{figure}

\subsection{Umidade}

Para realizar a medida de umidade foi escolhido o sensor da Honeywell HIH-5030/5031 \cite{datasheet3}, que custa aproximadamente $\$10.00$.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{sensor_umidade.jpg}
\caption{Sensor de Umidade HIH-5030.}
\label{fig:HIH-5030}
\end{figure}

O sensor fornece uma tensão de output praticamente linear de acordo com a umidade relativa na seguinte relação a 25$^{\circ}$C:

\begin{equation}
V_{out} = V_{supply} \cdot (0.00636(UR\%) + 0.1515)
\end{equation}

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{datasheet_umidade.png}
\caption{Relação linear do sensor de Umidade HIH-5030.}
\label{fig:HIH-5030}
\end{figure}

A medição da umidade relativa tem dependência com a temperatura dada por:

\begin{equation}
Valor Verdadeiro UR = \frac{Sensor UR}{1.0546 - 0.00216 \cdot T(^{\circ}C)}
\end{equation}

\subsection{Pressão}
Para a medida de pressão, escolheu-se o sensor Honeywell ABPMANN030PG2A3 \cite{datasheet4} devido a sua estabilidade, precisão (ambas $\pm0.25\%$ fundo de escala) e tamanho (8mm x 7mm). O custo é de aproximadamente $\$17.00$, podendo ser reduzido na compra de maiores quantidades do componente.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=7cm]{pressao.png}
\caption{Sensores de Pressão Honeywell ABPMANN030PG2A3.}
\label{fig:Honeywell ABPMANN030PG2A3}
\end{figure}
A saída é linear com a pressão aplicada ao sensor e regida pela equação:
\begin{equation}
Out(V) = \frac{0.8 \cdot V_{supply}}{P_{max} - P_{min}} \cdot (P_{aplicada}- P_{min}) + 0.1 \cdot V_{supply}
\end{equation}


Este sensor possui faixa de operação de 0 a 30psi (aproximadamente 2atm).
\section{Conversores AD}

Para o sensor de partículas, o ideal é a utilização de um conversor de, ao menos, 24 bits, de forma a garantir uma boa precisão na discretização de sua medida. Assim, teria-se cerca de 2 partículas/m³ por intervalo de discretização.
\par
Já para o sensor de temperatura, dada a incerteza de 0.36 $^{\circ}$C e uma faixa de operação de amplitude de cerca de 200$^{\circ}$C, faz com que sejam necessários apenas cerca de 555 intervalos. Assim, um conversor de 10 bits já é mais do que suficiente.
\par
Utilizando-se o mesmo raciocínio para os sensores de umidade e pressão, que possuem 0.25\% de imprecisão, vê-se que, para estes, conversores de 9 bits são suficientes.



\subsection{Comparação entre Tipos de Conversores AD}
O tipo de conversor escolhido foi o Conversor AD por Aproximações Sucessivas que corresponde ao tipo mais comum de conversores de médio e grande porte devido ao seu baixo consumo energético e alta resolução.
\par
Quando comparado a outros tipos de sensores, o uso do conversor por aproximações sucessivas se torna vantajoso tendo em vista os grandes números requeridos pela detecção de partículas.
\par
O conversor rampa comum se torna extremamente ineficiente ao realizar a conversão de 24 bits devido ao método utilizado na conversão AD.
\par
Já o conversor paralelo (flash), embora mais rápido, teria custo extremamente alto devido à quantidade de bits necessários para uma boa resolução.

\subsection{Funcionamento do Conversor AD por Aproximações Sucessivas}

O Conversor AD por Aproximações Sucessivas converte um sinal analógico contínuo em uma representação digital discreta por meio de busca binária que resulta na convergência final do resultado discretizado.


\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{SA_ADC_block_diagram.png}
\caption{Diagrama do Conversor AD por Aproximações Sucessivas.}
\label{fig:sa_adc}
\end{figure}

Legenda:

DAC = Conversor Digital-Analógico
\par
EOC = Final da conversão
\par
SAR = Registrador de Aproximação Sucessiva
\par
S/H = Registrador de Amostragem/Hold
\par
Vin = Tensão de Input
\par
Vref = Tensão de Referência
\par

\vspace{1cm}

Grande parte da eficiência do conversor por aproximações sucessivas se deve ao seu algoritmo de busca binária ilustrado abaixo que garante a conversão em tempo hábil, mesmo com o aumento do número de bits. Esse algoritmo tem crescimento na ordem de O(n) onde n é o número de bits do conversor. Ou seja, numa maneira mais simplificada e aproximada de dizer, ao se utilizar um conversor de 24 bits, necessita-se apenas de 24 vezes o tempo utilizado por um conversor de 1 bit (em vez de $2^{24}$ vezes, como seria em um de tipo rampa).

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{sa_adc.jpg}
\caption{Algoritmo de Conversão por Aproximações Sucessivas.}
\label{fig:a_sa_adc}
\end{figure}


\section{Esquemático de Funcionamento da Sala Limpa}
Uma sala limpa precisa ter seus valores de temperatura, umidade, pressão e quantidade de partículas constantemente sendo medidos. O controle da temperatura, umidade e quantidade de partículas é feito pois os processos realizados nela necessitam de certas condições de temperatura e umidade e não podem ser contaminados por partículas presentes no ar. Já a medida de pressão, serve para auxiliar no controle das partículas no ar, uma vez que o gradiente de pressão faz com que, quando a porta é aberta, a corrente de ar circule no sentido da sala para fora (Figura 10) e não ao contrário, evitando que a sala seja contaminada por partículas de fora.

No processo de automação das salas limpas, as medidas analógicas lidas nos sensores são convertidas para sinais digitais por meio de um conversor AD, sendo tais medidas digitais passadas para um programa que as analisa e executa as ações necessárias.

A Figura 11 mostra um esquemático da organização dos sensores na sala, visando um projeto com um custo não tão elevado e ainda sim eficiente. O projeto foi para uma sala limpa pequena, visto que um sensor de partículas tem um custo elevado e com uma sala menor seria suficiente apenas um sensor. Tal sensor é colocado no centro da sala limpa e consegue analisar toda ela. Com sensores mais baratos de umidade e temperatura, pode-se distribuir quatro deles uniformemente na sala, de modo a analisar toda a sala. Os sensores de pressão serão necessários perto das portas, pois, como visto, é geralmente o local onde necessita-se da medida de temperatura para o controle.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=8cm]{sala1.png}
\caption{Esquemático da diferença de pressão nos diferentes setores da Sala Limpa, as setas representam a circulação do ar quando a porta é aberta.}
\label{fig:sala1}
\end{figure}

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[height=7cm]{sala2.png}
\caption{Esquemático dos sensores na Sala Limpa}
\label{fig:sala2}
\end{figure}

\section{Conclusão}
conclusão mais técnica


\section{Bibliografia}
\begin{thebibliography}{99} % Bibliography - this is intentionally simple in this template
\vspace{-1cm}

\bibitem [1] {datasheet} Datasheet - Sensor Partículas a Laser - Kanomax-3716 \linebreak http://www.kanomax-usa.com/wp-content/uploads/2016/12/Kanomax-3716-371711.pdf

\bibitem [2] {datasheet2} Datasheet - Sensor de Temperatura - LMT70 \linebreak http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmt70.pdf

\bibitem [3] {datasheet3} Datasheet - Sensor de Umidade - HIH-5030 \linebreak https://sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-hih5030-5031-series-product-sheet-009050-2-en.pdf

\bibitem [4]{datasheet4} Datasheet - Sensor de Pressão - ABP Series \linebreak https://sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-basic-board-mount-pressure-abp-series-datasheet-2305128-e-en.pdf

\end{thebibliography}


\end{document}