1 引言

在電子產(chǎn)品中很多電子元器件的特性都和溫度密切相關(guān)，因此為了消除電子元器件性能在不同溫度下的漂移，在各種電子產(chǎn)品中都會(huì)內(nèi)嵌溫度傳感器。比如由于溫度引起的晶體頻率補(bǔ)償[1]，基于溫度控制的 MEMS 系統(tǒng)[2]等。單獨(dú)的溫度傳感器也嵌入到各種應(yīng)用中，比如醫(yī)療健康[3]，近場(chǎng)通信[4]。對(duì)于溫度傳感器技術(shù)本身而言，采用能量收集技術(shù)(Energy harvest)完成低功耗[5]，采用數(shù)字化和自適應(yīng)補(bǔ)償[6-11]等成為一些研究方向。因此如何設(shè)計(jì)功耗低、芯片面積小、精度高的溫度傳感器就成為這一課題持續(xù)研究的動(dòng)力。傳統(tǒng)的 CMOS 溫度傳感器利用三極管或熱敏電阻的溫度特性來(lái)設(shè)計(jì)，而本文提出了一種利用兩種不同溫度系數(shù)材料來(lái)作為溫度傳感，采用共享電容的雙路環(huán)形振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的技術(shù)。

2 溫度傳感器原理

溫度傳感器的設(shè)計(jì)，需要一個(gè)對(duì)溫度敏感的電子元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，熱敏電阻是常用的電子元器件。常見(jiàn)的熱敏電阻，其電阻值是溫度的函數(shù)，溫度-電阻的關(guān)系通常近似如式 1 所示。

(1)其中，R0 是在 T0 溫度為 時(shí)的電阻值，B 為熱敏電阻的溫度參數(shù)，該系數(shù)和熱敏電阻的材料有關(guān)。通常在其正常工作溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻的溫度-電阻曲線近似線性關(guān)系，如圖 1 所示。工程上為了計(jì)算方便，通常將其曲線用線性方程做近似擬合，擬合后公式通常為式 2 的形式[12,13]，

(2)其中，A1，A2 為溫度參數(shù)。對(duì)于不同的熱敏電阻材料，其溫度系數(shù)和通常不同。表 1 給出了一種 N+ 型多晶硅、一種 P+ 型多晶硅以及一種金屬材料制成的熱敏電阻的溫度系數(shù)信息[14]，本文就是利用多晶硅和金屬的不同溫度系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)溫度傳感器。

3 溫度傳感器電路

在實(shí)際電路中電阻值不便于直接測(cè)量，因此通常通過(guò)一定的電路把電阻值轉(zhuǎn)化為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電流、電壓或頻率值等便于電路的測(cè)量和處理。而這其中，又以使用恒流源將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值，再通過(guò) ADC 將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值提供給后端電路的方案最為常用。這種方法通過(guò)調(diào)整恒流源電路產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流，該電流在流經(jīng)電阻時(shí)產(chǎn)生合適的電壓偏置。后級(jí)濾波放大電路對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行處理，并將濾波放大后的電壓送到 ADC，經(jīng)過(guò) ADC 轉(zhuǎn)化，得到的數(shù)字電壓值提供給后續(xù)電路處理。由于現(xiàn)行 ADC 能夠提供很高的轉(zhuǎn)換精度，并且各電路模塊都有非常成熟的解決方案，因此被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)溫度傳感器的產(chǎn)品和解決方案中。然而 ADC 電路在轉(zhuǎn)換時(shí)通常需要較高的能量，并且其成本較高。因此對(duì)于低功耗、低成本的應(yīng)用，這種方案還有待提高。本文提出了一種共享電容的雙路環(huán)形振蕩器如圖 2，利用兩個(gè)振蕩器頻率的不同來(lái)計(jì)算溫度的方案[15-22]，該振蕩器有面積小，功耗低，準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。

本文提出的溫度傳感器電路是一個(gè)環(huán)形振蕩器(Ring oscillator)，其中的 RC 決定了該 Ring oscillator 的頻率。該電路中 R 是可選的，可以用金屬電阻(Metal Resistor)也可以選擇多晶硅電阻(Poly Resistor)，不同的電阻串聯(lián)在電路上就能獲得不同的振蕩頻率。

振蕩器頻率和 RC 的關(guān)系如式 3。

(3)該電路中，當(dāng) SEL=1 的時(shí)候，電路選擇的是 PolyResistor，當(dāng) SEL=0 的時(shí)候電路選擇的是MetalResistor，根據(jù)公式(1-4)，可以得出頻率的比值和電阻比值的關(guān)系，從等式可以看出該頻率比值消除了電容 C 的影響，即使芯片和芯片電容的一致性差，也能保證頻率的比例關(guān)系反應(yīng)的是兩個(gè)電阻的比例關(guān)系，這樣電容 C 可以利用芯片內(nèi)部的雙多晶硅/雙金屬層/疊層金屬(PIP/MIM/MOM)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。不需要外接精確的電容。

Fmetal / Fpoly = C×Rpoly / C×Rmetal

= Rpoly / Rmetal

4 溫度傳感器實(shí)現(xiàn)

根據(jù)這個(gè)原理，本文選取了 SMIC 的 CMOS 工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度傳感器。根據(jù)該工藝的 PCM 規(guī)范，我們得到如圖 3 所示的 Poly Resistor 和 Metal Resistor的溫度曲線。由于金屬電阻是正溫度系數(shù)，多晶硅電阻是負(fù)溫度系數(shù)，因此圖中的電阻一個(gè)隨溫度上升而上升，一個(gè)隨溫度上升而下降。雖然電阻是溫度的二次函數(shù)，但是二次項(xiàng)系數(shù)很小，比一次項(xiàng)系數(shù)小 3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在工業(yè)級(jí)芯片的工作范圍內(nèi)，可以近似為溫度的一次函數(shù)。這樣有利于計(jì)算方便。

由于金屬方塊電阻的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多晶硅電阻，從圖 3 可以看到二者的比例達(dá)到 1 000 倍。同樣的方塊電阻，金屬電阻的面積比多晶硅電阻大很多，圖 4 是該溫度傳感器在顯微鏡下的俯視圖，圖中標(biāo)明了電容電阻的大致比例關(guān)系，其中的電容是采用的是 MIM電容。

該溫度傳感器芯片的測(cè)試數(shù)據(jù)如表 2，從表中可以看到，環(huán)形振蕩器的周期都隨著溫度的上升而升高，這主要是由于溫度升高引起了 MOS 管電流降低，所以?xún)煞N材料的振蕩器周期的絕對(duì)值是隨溫度升高而升高的，但是振蕩器周期的比例是隨著溫度升高而降低的，這剛好反映的是金屬電阻的正溫度系數(shù)和多晶硅電阻的負(fù)溫度系數(shù)。

根據(jù)表 2 的數(shù)據(jù)利用 Matlab 的最小二乘擬合，我們可以得出圖 5 的振蕩器周期比和溫度的關(guān)系，該擬合的最小二次系數(shù) R2 = 0.9999，可以得到很高的擬合度。實(shí)際產(chǎn)品中，可以選取兩點(diǎn)或者多點(diǎn)來(lái)擬合整條曲線。我們?cè)诋a(chǎn)品測(cè)試中采用 20℃和 50℃ 兩點(diǎn)來(lái)擬合整條曲線，根據(jù)擬合曲線和實(shí)際測(cè)試得到的頻率計(jì)算溫度，在 20 ℃～50 ℃ 這個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫度準(zhǔn)確度達(dá)到了 0.1℃，而整個(gè)傳感器的功耗小于 1μA。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，擬合的點(diǎn)數(shù)越多，準(zhǔn)確度越高，該溫度傳感器經(jīng)過(guò) 1 000 小時(shí)壽命測(cè)試以后，準(zhǔn)確度仍然可以達(dá)到 0.4 ℃。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種雙路環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，提出了利用共享電容的方式解決了電路加工的時(shí)候元器件不一致的問(wèn)題，給出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該電路的準(zhǔn)確度可以達(dá)到±0.1℃，該傳感器的功耗小于1μA。

本文研究設(shè)計(jì)的這種溫度傳感器有著較良好的性能和表現(xiàn)，可以滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的需求。