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一种面积小功耗低的 温度传感器设计

2019/01/09

  1 引言

  在电子产品中很多电子元器件的特性都和温度密切相关,因此为了消除电子元器件性能在不同温度下的漂移,在各种电子产品中都会内嵌温度传感器。比如由于温度引起的晶体频率补偿[1],基于温度控制的 MEMS 系统[2]等。单独的温度传感器也嵌入到各种应用中,比如医疗健康[3],近场通信[4]。对于温度传感器技术本身而言,采用能量收集技术(Energy harvest)完成低功耗[5],采用数字化和自适应补偿[6-11]等成为一些研究方向。因此如何设计功耗低、芯片面积小、精度高的温度传感器就成为这一课题持续研究的动力。传统的 CMOS 温度传感器利用三极管或热敏电阻的温度特性来设计,而本文提出了一种利用两种不同温度系数材料来作为温度传感,采用共享电容的双路环形振荡器来实现温度传感器的技术。

  2 温度传感器原理

 

  温度传感器的设计,需要一个对温度敏感的电子元器件来实现,热敏电阻是常用的电子元器件。常见的热敏电阻,其电阻值是温度的函数,温度-电阻的关系通常近似如式 1 所示。

  (1)

  其中,R0 是在 T0 温度为 时的电阻值,B 为热敏电阻的温度参数,该系数和热敏电阻的材料有关。通常在其正常工作温度范围内,热敏电阻的温度-电阻曲线近似线性关系,如图 1 所示。工程上为了计算方便,通常将其曲线用线性方程做近似拟合,拟合后公式通常为式 2 的形式[12,13],

  (2)

  其中,A1,A2 为温度参数。对于不同的热敏电阻材料,其温度系数和通常不同。表 1 给出了一种 N+ 型多晶硅、一种 P+ 型多晶硅以及一种金属材料制成的热敏电阻的温度系数信息[14],本文就是利用多晶硅和金属的不同温度系数来设计温度传感器。

  3 温度传感器电路

  在实际电路中电阻值不便于直接测量,因此通常通过一定的电路把电阻值转化为与其成一定函数关系的电流、电压或频率值等便于电路的测量和处理。而这其中,又以使用恒流源将电阻值转换为电压值,再通过 ADC 将模拟电压值转换为数字值提供给后端电路的方案最为常用。这种方法通过调整恒流源电路产生一个恒定的电流,该电流在流经电阻时产生合适的电压偏置。后级滤波放大电路对这一信号进行处理,并将滤波放大后的电压送到 ADC,经过 ADC 转化,得到的数字电压值提供给后续电路处理。由于现行 ADC 能够提供很高的转换精度,并且各电路?槎加蟹浅3墒斓慕饩龇桨,因此被广泛应用于各类温度传感器的产品和解决方案中。然而 ADC 电路在转换时通常需要较高的能量,并且其成本较高。因此对于低功耗、低成本的应用,这种方案还有待提高。本文提出了一种共享电容的双路环形振荡器如图 2,利用两个振荡器频率的不同来计算温度的方案[15-22],该振荡器有面积小,功耗低,准确度高的优点。

  本文提出的温度传感器电路是一个环形振荡器(Ring oscillator),其中的 RC 决定了该 Ring oscillator 的频率。该电路中 R 是可选的,可以用金属电阻(Metal Resistor)也可以选择多晶硅电阻(Poly Resistor),不同的电阻串联在电路上就能获得不同的振荡频率。

  振荡器频率和 RC 的关系如式 3。

  (3)

  该电路中,当 SEL=1 的时候,电路选择的是 PolyResistor,当 SEL=0 的时候电路选择的是MetalResistor,根据公式(1-4),可以得出频率的比值和电阻比值的关系,从等式可以看出该频率比值消除了电容 C 的影响,即使芯片和芯片电容的一致性差,也能保证频率的比例关系反应的是两个电阻的比例关系,这样电容 C 可以利用芯片内部的双多晶硅/双金属层/叠层金属(PIP/MIM/MOM)电容来实现。不需要外接精确的电容。

  Fmetal / Fpoly = C×Rpoly / C×Rmetal

  = Rpoly / Rmetal

  (4)

  4 温度传感器实现

  根据这个原理,本文选取了 SMIC 的 CMOS 工艺设计了一个温度传感器。根据该工艺的 PCM 规范,我们得到如图 3 所示的 Poly Resistor 和 Metal Resistor的温度曲线。由于金属电阻是正温度系数,多晶硅电阻是负温度系数,因此图中的电阻一个随温度上升而上升,一个随温度上升而下降。虽然电阻是温度的二次函数,但是二次项系数很小,比一次项系数小 3~4 个数量级,因此在工业级芯片的工作范围内,可以近似为温度的一次函数。这样有利于计算方便。

  由于金属方块电阻的大小远远小于多晶硅电阻,从图 3 可以看到二者的比例达到 1 000 倍。同样的方块电阻,金属电阻的面积比多晶硅电阻大很多,图 4 是该温度传感器在显微镜下的俯视图,图中标明了电容电阻的大致比例关系,其中的电容是采用的是 MIM电容。

  该温度传感器芯片的测试数据如表 2,从表中可以看到,环形振荡器的周期都随着温度的上升而升高,这主要是由于温度升高引起了 MOS 管电流降低,所以两种材料的振荡器周期的绝对值是随温度升高而升高的,但是振荡器周期的比例是随着温度升高而降低的,这刚好反映的是金属电阻的正温度系数和多晶硅电阻的负温度系数。

  根据表 2 的数据利用 Matlab 的最小二乘拟合,我们可以得出图 5 的振荡器周期比和温度的关系,该拟合的最小二次系数 R2 = 0.9999,可以得到很高的拟合度。实际产品中,可以选取两点或者多点来拟合整条曲线。我们在产品测试中采用 20℃和 50℃ 两点来拟合整条曲线,根据拟合曲线和实际测试得到的频率计算温度,在 20 ℃~50 ℃ 这个温度范围内的温度准确度达到了 0.1℃,而整个传感器的功耗小于 1μA。实际测试发现,拟合的点数越多,准确度越高,该温度传感器经过 1 000 小时寿命测试以后,准确度仍然可以达到 0.4 ℃。

  5 结语

  本文设计了一种双路环形振荡器结构的温度传感器,提出了利用共享电容的方式解决了电路加工的时候元器件不一致的问题,给出的实测数据表明该电路的准确度可以达到±0.1℃,该传感器的功耗小于1μA。

  本文研究设计的这种温度传感器有着较良好的性能和表现,可以满足大多数应用领域的需求。

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