3.6

Sensores Resistivos

3.6.1 Termo-resistências e Termístores

As termo-resistências e os termístores são resistências que exibem uma variação do valor nominal em função da temperatura. A distinção entre termo-resistência e termístor (ou termistência) prende-se com o tipo de material utilizado na sua construção. Assim,

(i) as termo-resistências, que em língua inglesa se designam por resistance temperature detectors, RTD, utilizam materiais condutores como a platina, o cobre ou o níquel;

(ii) e os termístores (ingl. thermal resistors) utilizam misturas de cerâmicas de óxidos semicondutores, como o manganésio, o níquel, o cobalto, o cobre, o ferro, o titânio, etc., no caso das resistências com coeficiente de temperatura negativo (negative temperature coefficient, NTC), e de titanato de bário, no caso das PTC (positive temperature coefficient).

Outros termos vulgarmente utilizados na classificação dos termistores são os seguintes: silístor, para designar os termístores do tipo PTC de relativa linearidade, e termístor comutado (switched-type), para indicar os termístores que manifestam um aumento brusco no valor nominal da resistência a partir de uma temperatura pré-estabelecida.

As termo-resistências e os termístores são amplamente utilizados como sondas de temperatura em aplicações industriais, em aparelhagem médica, em electrodomésticos, em instrumentação para investigação científica, no sector automóvel, em telecomunicações, em aplicações militares, etc. Em algumas aplicações destinam-se a medir valores absolutos de temperatura razoáveis, como é o caso das aplicações médicas, ao passo que noutras, como as aplicações industriais, podem destinar-se a medir temperaturas de vários milhares de kelvin. Outra distinção importante consiste na precisão da medida de temperatura a efectuar. Em alguns casos uma precisão de 1 ºC na medição da temperatura é suficiente, ao passo que noutras se exige uma precisão da ordem da décima ou, até mesmo, da centésima de grau. Por outro lado, o circuito de revelação do sinal pode ser mais ou menos complexo, por vezes envolvendo mesmo condicionadores de sinal e placas de aquisição de dados para digitalização da informação e processamento em computador.

Na Figura 3.14 ilustram-se de forma qualitativa algumas características temperatura-resistência possíveis para as termo-resistências e os termístores. As termo-resistências de platina são largamente utilizadas em sondas de temperatura de elevada precisão, em particular devido às elevadas gama e linearidade da característica. Convém salientar o facto de a grande maioria das termo-resistências e termístores se caracterizarem por relações acentuadamente não-lineares. Actualmente existem no mercado termístores em formato de gota, tubo, disco, anilha ou circuito integrado, e com diâmetros que podem variar entre 0.1 mm e vários centímetros (ver os croquis e as fotografias da Figura 3.14).

Figura 3.14 Termístores e Termo-resistências

3.6.2 Foto-resistências

As foto-resistências são componentes de circuito cujo valor nominal da resistência eléctrica é função da intensidade da radiação electromagnética incidente (em língua inglesa são designadas pela sigla LDR, light dependent resistor). As foto-resistências são geralmente construídas com base em materiais semicondutores, designadamente silício, germânio, arsénio, telúrio e compostos de cádmio e de chumbo, todos eles materiais para os quais a densidade de portadores livres na banda de condução é uma função, entre outras, da intensidade e do comprimento de onda dos fotões incidentes. Em materiais como o silício a incidência de fotões com comprimento de onda l=1.1 mm conduz à geração de pares electrão-buraco, isto é, induz a passagem de electrões da banda de valência para a banda de condução, deixando atrás de si buracos. Assim, uma vez que a resistividade de um material é uma função decrescente da densidade de portadores livres disponíveis, neste caso função seja da densidade de electrões livres na banda de condução, seja da densidade de buracos na banda de valência, conclui-se ser negativo o coeficiente de luminosidade deste tipo de resistências. Por outro lado, materiais como o germânio e o arsenieto de índio apresentam maior sensibilidade à radiação de comprimento de onda l=1.85 mm e l=3.54 mm, respectivamente, sendo as diferenças função apenas da maior ou menor amplitude das respectivas bandas proibidas. Actualmente existem no mercado foto-resistências que cobrem as gamas de radiação electromagnética infra-vermelha, visível e ultra-violeta.

Figura 3.15 Foto-resistências

As foto-resistências são amplamente utilizadas em aplicações industriais, de instrumentação e militares, como indicadores de nível em reservatórios de líquidos, sistemas de alarme e de controlo à distância, etc. A variação da resistividade com a intensidade luminosa segue uma lei aproximadamente exponencial, sendo comum encontrar foto-resistências cujo valor nominal da resistência eléctrica pode variar de um factor de 100 numa gama de intensidades luminosas compreendidas entre 5 e 10⁴ lux. Na Figura 3.15 ilustram-se o símbolo e algumas das foto-resistências actualmente existentes no mercado.

3.6.3 Outros Sensores Resistivos

Para além das aplicações apresentadas anteriormente, a resistividade dos materiais pode ser utilizada para detectar a presença ou a variação de uma quantidade muito variada de grandezas, como sejam o campo magnético, a pressão ou aceleração, certos agentes químicos como a humidade, o monóxido de carbono, o fumo de tabaco, etc.

Uma das classes mais importantes de sensores resistivos são as magneto-resistências. Estes sensores são componentes de circuito nos quais o valor nominal da resistência eléctrica é uma função da intensidade do campo magnético no qual se encontram imersas. As magneto-resistências baseiam o seu princípio de funcionamento na interacção existente entre o campo magnético e o fluxo de corrente eléctrica, que se manifesta através da designada força de Lorentz. As magneto-resistências são utilizadas na construção de cabeças de leitura de fitas e discos magnéticos, designadamente em aplicações audio, vídeo, memorização de informação em sistemas de computadores, identificação de padrões em cartões magnéticos, instrumentação e equipamento de controlo, etc.

Um outro conjunto de sensores resistivos de grande utilidade prática são as piezo-resistências. A piezo-resistividade é a propriedade dos materiais que caracteriza a dependência da resistividade eléctrica com a deformação mecânica. Esta propriedade tem como causas, entre outras, a variação da mobilidade e da densidade de cargas livres nos materiais, sendo esta última devida em particular à dependência da amplitude da banda proibida com o esforço mecânico. Apesar de a piezo-resistividade ser uma propriedade comum a todos os materiais, ela é mais notória nos semicondutores como o silício e o germânio, em cujo caso o coeficiente de variação da resistência eléctrica é, regra geral, negativo. As piezo-resistências são utilizadas na construção de microfones e de detectores de aceleração, como é o caso dos airbag dos automóveis e dos sensores de fluxo em condutas de líquidos ou gases. Devido à compatibilidade tecnológica com a electrónica de silício, os sensores de pressão são passíveis de integração conjunta com os circuitos electrónicos de revelação e processamento de sinal, permitindo, assim, realizar numa única pastilha sistemas complexos que incluem as funções de transdução, de revelação e de processamento da informação.

Existe ainda um vasto conjunto de sensores resistivos designado por químio-resistências. Em todos estes componentes, a resistividade é uma função da concentração de agentes químicos presentes no ambiente em que se encontram imersas. As químio-resistências são utilizadas na medição da humidade relativa do ar, em cujo caso são mais propriamente designadas por higro-resistências, mas também na detecção de gases como o monóxido de carbono, o hidrogénio, o dióxido de azoto, o etanol, o metano, o fumo de cigarro, etc. As químio-resistências são em geral construídas a partir da deposição de um óxido metálico num material inerte como o óxido de silício, mas também a partir de certos cristais orgânicos ou polímeros condutores. Em geral, este tipo de resistências apresenta um coeficiente de variação negativo.