一種利用兩種不同溫度系數(shù)材料來實現(xiàn)溫度傳感器的技術(shù)的概述

楊小奇，萬建軍，劉文江

摘要：傳統(tǒng)的嵌入式溫度傳感器利用三極管和 ADC 來實現(xiàn)，本文提出了一種利用兩種不同溫度系數(shù)材料作為傳感，采用共享電容的雙路環(huán)形振蕩器來實現(xiàn)溫度傳感器的技術(shù)，該溫度傳感器有功耗低，面積小，精確度高的特點。

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)品中都會內(nèi)嵌溫度傳感器。比如由于溫度引起的晶體頻率補償[1]，基于溫度控制的 MEMS 系統(tǒng)[2]等。單獨的溫度傳感器也嵌入到各種應(yīng)用中，比如醫(yī)療健康[3]，近場通信[4]。對于溫度傳感器技術(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)補償[6-11]等成為一些研究方向。因此如何設(shè)計功耗低、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設(shè)計，而本文提出了一種利用兩種不同溫度系數(shù)材料來作為溫度傳感，采用共享電容的雙路環(huán)形振蕩器來實現(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，需要一個對溫度敏感的電子元器件來實現(xiàn)，熱敏電阻是常用的電子元器件。常見的熱敏電阻，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)來設(shè)計溫度傳感器。

3 溫度傳感器電路

在實際電路中電阻值不便于直接測量，因此通常通過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 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。這種方法通過調(diào)整恒流源電路產(chǎn)生一個恒定的電流，該電流在流經(jīng)電阻時產(chǎn)生合適的電壓偏置。后級濾波放大電路對這一信號進行處理，并將濾波放大后的電壓送到 ADC，經(jīng)過 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)換時通常需要較高的能量，并且其成本較高。因此對于低功耗、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，利用兩個振蕩器頻率的不同來計算溫度的方案[15-22]，該振蕩器有面積小，功耗低，準確度高的優(yōu)點。

本文提出的溫度傳感器電路是一個環(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 的時候，電路選擇的是 PolyResistor，當(dāng) SEL=0 的時候電路選擇的是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）電容來實現(xiàn)。不需要外接精確的電容。

Fmetal / Fpoly = C×Rpoly / C×Rmetal

= Rpoly / Rmetal

（4）

4 溫度傳感器實現(xiàn)

根據(jù)這個原理，本文選取了 SMIC 的 CMOS 工藝設(shè)計了一個溫度傳感器。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)，多晶硅電阻是負溫度系數(shù)，因此圖中的電阻一個隨溫度上升而上升，一個隨溫度上升而下降。雖然電阻是溫度的二次函數(shù)，但是二次項系數(shù)很小，比一次項系數(shù)小 3～4 個數(shù)量級，因此在工業(yè)級芯片的工作范圍內(nèi)，可以近似為溫度的一次函數(shù)。這樣有利于計算方便。

由于金屬方塊電阻的大小遠遠小于多晶硅電阻，從圖 3 可以看到二者的比例達到 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，所以兩種材料的振蕩器周期的絕對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。實際產(chǎn)品中，可以選取兩點或者多點來擬合整條曲線。我們在產(chǎn)品測試中采用 20℃和 50℃ 兩點來擬合整條曲線，根據(jù)擬合曲線和實際測試得到的頻率計算溫度，在 20 ℃～50 ℃ 這個溫度范圍內(nèi)的溫度準確度達到了 0.1℃，而整個傳感器的功耗小于 1μA。實際測試發(fā)現(xiàn)，擬合的點數(shù)越多，準確度越高，該溫度傳感器經(jīng)過 1 000 小時壽命測試以后，準確度仍然可以達到 0.4 ℃。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種雙路環(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候元器件不一致的問題，給出的實測數(shù)據(jù)表明該電路的準確度可以達到±0.1℃，該傳感器的功耗小于1μA。

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