（微电子学与固体电子学专业论文）cmos带隙温度传感器电路的研究.pdf

目录 中文摘要 在 农业生产和科学研究过程中，温度是需要测量和控制的一个重要参数，因此，在各种传感 器中，温度传感器是应用最广泛的一种。而其中集成电路温度传感器与传统类型温度传感器相比， 具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。以往大多数的集成温度传感器是用双 极型工艺实现的但是c m o s 电路凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点成为现今 的主流工艺，所以能在标准c m o s 工艺中实现的集成温度传感器在多传感器系统的温度补偿、v l s i 芯片功耗控制、自动化制造工厂的环境温度监控、消费电子产品的温度控制等系统中具有广阔的开 发与应用前景。国外c m o s 温度传感器的设计和生产都已经达到相当高的水准。但在国内c m o s 温度传感器的研究设计和生产尚处于起步阶段，还没有产品在市场上出现。本文分析了国内外c m o s 温度传感器产品和文章，比较了各种设计原理的优缺点，选择了以c m o s 工艺寄生的纵向双极晶体 管作为感温元件的测温原理进行温度传感器电路的设计。 本文在学习和分析了各种利用寄生双极晶体管进行设计的c m o s 温度传感器电路形式的基础 上，采用了带隙的感温结构( 工作在不同电流密度下的两个双极晶体管基一射极电压差与绝对温度成 正比) ，也叫p t a t ( p r o p o r t i o n a l t ua b s o l u t e t e m p e r a t u r e ，与绝对温度成正比) 电路。并结合所掌握的 模拟电路原理和知识，提出了采用两个三极管串联以提高温度灵敏度和降低运算放大器失调的影响， 以及在p t a t 电路后加上一条电流镜和电阻的支路使输出的温度敏感电压为两电阻比值的函数，消 除了单个电阻温度系数对温度传感器温度灵敏度的绝对值及线性的影响。对于后续接口部分，设计 了电平转换电路和比例放大电路以达到系统对输出电压范围和温度灵敏度的要求。采用h s p i c e 电路 仿真一 具在全温度测量范围内( 一4 0 一+ 6 0 c ) 对电路的温度特性和电压输出范围进行模拟，结果表 明，通过调节比例放大电路中反馈电阻的大小，温度传感器输出电压的温度灵敏度可达到1 0 m v 。c 左右。 本文采用t a n n e r t ml e d i t 软件完成了版图设计。在设计中，考虑到本文所设计的温度估感器是用 于5 v 电源系统中及成本的降低，选择采用2 9 m 的c m o s 工艺，实现温度传感器的制造。文中对电 路中关键器件的版图设计进行了阐述，并充分考虑了布局布线对模拟电路的影响，完成了d r c 文件、 版图参数提取文件等必要的版图设计的辅助文档，通过后仿真验证了版图与电路原理图的一致性。 电路的制备采用2 “m p 阱单多晶单金属工艺，在中国电子科技集团第5 8 研究所流片。文中给出 了r 艺参数和电路各主要模块性能的测试条件和测试结果。测试结果表明，工艺参数与模拟值基本 相符；电平转换电路和比例放大电路的性能符合设计指标，文中给出了测试曲线和数据。 本文最后给出了作者经过从感温原理的选择、电路形式的提出到具体电路的设计和仿真、版图 的设计和检查，以及流水测试全过程后得到的一些结论和经验。 关键词c m o s 工艺集成温度传感器寄生双极晶体管带隙p t a t 电路 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fi n d u s t r y , a g d c u l t u r ea n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t e m p e r a t u r ei s a l q i m p o r t a n t p a r a m e t e rt om e a s u r ea n dc o n t r 0 1 h e n c e ，t e m p e r a t u r es e n s o ri so n eo ft h em o s te x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s a m o n ga l lk i n d so fs e n s o r s c o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r es e n s o r s ，i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r e s e n s o r sh a v et h ea d v a n t a g e so fg o o ds e n s i t i v i t y , l i n e a f i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e t a i n t e g r a t e d t e m p e r a t u r es e n s o r sm a d ei nb i p o l a r ( o rb i c m o s ) t e c h n o l o g y a r eu s e de x t e n s i v e l y h o w e v e r , c m o si st h e m o s te x t e n s i v e l yu s e dt e c h n o l o g ys i n c ei th a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l ep r o c e s s ，s m a l ld e v i c ea r e a ，h i g h i n t e g r a t i o nd e n s i t ya n dl o wp o w e r t h ef a b r i c a t i o no ft e m p e r a t u r es e n s o r si ns t a n d a r dh i g hp e r f o r m a n c e d i g i t a lc m o sp r o c e s si s a l s od e s i r a b l ee s p e c i a l l yf o rt h ef o l l o w i n ga p p l i c a t i o n s ：1 ) i nm i c r o s y s t e m st o c o m p e n s a t ef o rt e m p e r a t u r ec r o s ss e n s i t i v i t yo f o t h e rs e n s o r s ；2 ) v l s ic h i p st oc o n t r o lt h ed i s s i p a t i o n ；3 ) i n s t r o n g l ya u t o m a t e dp r o d u c t i o np l a n t s ；a n d4 ) i na u t o m a t e dc o n s u m e rp r o d u c t sl i k ec a r sa n dd o m e s t i c a p p l i a n c e s i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fc m o s t e m p e r a t u r es e n s o rh a sr e a c h e da m g h e rl e v e l ，b u ti nc h i n at h er e s e a r c ho f t h ei n t e g r a t e dc m o st e m p e r a t u r es e n s o ra n di t sp r o d u c t i o ni sj u s t u n d e r w a y t h e r ei s n od e m e s t i cp r o d u c to fc m o st e m p e r a t u r es e n s o ri nt h em a r k e t i nt h i st h e s i s ，t h e p r o d u c t sa n dr e s e a r c hp a p e r so fc m o st e m p e r a t u r es e n s o ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h e n ，c m o s s u b s t r a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r sf a b r i c a t e do nt h es i l i c o ns u b s t r a t ea r ec h o s e nt om e a s u r et h et e m p e r a t u r e t h et e m p e r a t u r es e n s o ri nt h i st h e s i si sb a s e do nt h ed i f f e r e n c eo ft w ob a s e e m i t t e rv o l t a g e s ，b i a s e da t d i f f e r e n tc u r r e n td e n s i t i e s t h a tc o n f i g u r a t i o ni sr e f e r r e da sb a n d g a p i nt h es e n s o rc i r c u i td e s i g n t w o b i p o l a rt r a n s i s t o r sa r ec o n n e c t e di ns e r i e st oi m p r o v et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n dr e d u c et h er e l a t i v e i n f l u e n c eo fo f f s e to fo p e r a t i o n a la m p l i f i e rr o p ) ac u r r e n tm i r r o ra n dar e s i s t o ra r ea d d e dt oe l i m i n a t et h e i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fs i n g l er e s i s t o ro nt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n di m p r o v et h el i n e a r i t y o ft e m p e r a t u r es e n s o r t h e n ，v o l t a g et r a n s f e rc i r c u i t ，w h i c hi n c l u d e sa l lo pa n dt w or e s i s t o r s ，a n d p r o p o r t i o n a la m p l i f y i n gc i r c u i tu s i n ga no pa r ed e s i g n e dt or e a c ht h er e q u i r e m e n to fv o l t a g es w i n ga n d t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fm u l t i s e n s o rs y s t e m c i r c u i td e s i g nt o o lo fh s p i c ei se m p l o y e dt oa n a l y s et h e s e n s o rc i r c u i tf r o m _ 4 0t o + 6 0 t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et e m p e r a t u r es e n s i t l v i t yr e a c h e s a b o u t10 m v 。ca n dt h er a n g eo f o u t p u tv o l t a g ei sl o c a t e di no 3 vw h i c hi so n eo f t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h el a y o u to ft h es e n s o rc i r c u i ti sd e v e l o p e db yt a n n e r 7 ”l e d i tl a y o u te d i ts o f t w a r e t ot a k ec o s ta n d c a p a b i l i t yf o rh a n d l i n gi n5 vp o w e ri n t oa c c o u t ，a2 9 i np - w e l lc m o sp r o c e s si sc h o s e nt of a b r i c a t et h e t e m p e r a t u r es e n s o rc i r c u i t t h el a y o u ti sd e s i g n e ds t r i c t l yf o l l o w i n gt h ed e s i g nr u l e st h ee x t r a c t e dl a y o u t p a r a m e t e r sf i l e sw h i c h a r ee s s e n t i a lt og e tt h ep o s ts i m u l a t i o nn e t l i s ta r ea l s og i v e no u t t h el v sc h e c ki s c o m p l e t e db yp o s ts i m u l a t i o n t h ew h o l ec i r c u i ti sp r o c e s s e di n2 9 r np - w e l ls t a n d a r dc m o s p r o c e s s a no v e r a l lt e s t i n go nt h ec i r c u i t i sc o m p l e t e d ，a n dt h em e t h o d sa n dr e s u l t so ft e s t i n ga r ep r e s e n t e dt h et e s t i n gr e s u l to fv o l t a g et r a n s f e r c i r c u i ta n dp r o p o r t i o n a la m p l i f y i n gc i r c u i ti si nc o n s i s t e n c ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t f i n a l l yt h et e s t i n g c u i w ea n dt h em e a s u r e dd a t aa r eg i v e n s i n c et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fc m o sb a n d g a pt e m p e r a t u r es e n s o rd e s i g ni n t r o d u c e db yt h i s t h e s i si sc o n f i r m e dt oac e r t a i ne x t e n t ，t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h ec i r c u i t sp r o d u c e dm u c he x p e r i e n c e f o rt e m p e r a t u r es e n s o rd e s i g ni nm u l t i s e n s o rs y s t e mo f o u rl a b k e yw o r d ：c m o st e c h n o l o g y , i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o r , s u b s t r a n t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，b a n d g a p ， p t a t 0 r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) c i t e u i t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阋和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 癣莹导师 期 第一章绪论 1 1 背景和意义 第一章绪论 现代信息技术的三个基础是信息采集( 即传感器技术) 、信息传输( 通信技术) 和信息处理( 计 算机技术) 。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学 研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。 温度这个物理量与人类生活是息息相关。光、声的强度即使增大l o ，也不会对人们的感觉有 太大的影响，但是空间温度的变化却对人类有较大影响。人们研究温度测量的历史已相当久远，所 使用的传感器也种类繁多。近百年来温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式 温度传感器( 含敏感元件) ：模拟集成温度传感器：智能温度传感器( 即数字集成温度传感器) 【1 ”。 1 、分立式温度传感器： 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器( p n 结和双极晶体管温度传感器) ，均属 于分立式温度传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。此类温度传感器通常要配温 度变送器，以获得标准的模拟量( 电压或电流) 输出信号。使用时还需配上二次仪表，才能完成温 度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度低、分辨力不高、需进行温度校准 ( 例如非线性校准、温度补偿、传感器标定等) ，另外他们的体积较大、使用也不够方便，限制了其 在微型化高端电子产品中的应用。因此，分立式温度传感器将逐渐被淘汰。 2 、模拟集成温度传感器： 集成温度传感器是在2 0 世纪8 0 年代问世的，它是在p n 结温度传感器的基础上发展起来的， 将作为感温器件的温敏晶体管及外围电路集成在同一个芯片上的集成化温度传感器，特点是微型化， 使用方便和价格低廉。按输出信号形式可归纳为电压型、电流型和频率型3 类：电流型输出阻抗高， 可以长线遥测，抗磁场干扰；电压型相反，输出阻抗低，抗电场干扰，易于和控制或读出电路接口； 频率输出型便于数字输出，其特点与电流型相似。与传统分立式温度传感器相比，集成电路温度传 感器测温范围虽不宽，但它测温精度高，重复性好，线性优良，体积小且稳定性好，输出信号大 因此，深受人们的欢迎，在计算机、电信、工业控制等领域得到广泛的应用。它与目前常用的传统 的温度传感器，如热电偶、铂电阻、双金属片相比的特性如表t 1 所示m ”。 表1 1 常用温度传感器的性能比较 i 传感器种类测温范围( )重复性精度( )线性评价 ( ) 热电偶 一2 0 0 + i 6 0 0o3 ol0 5 30 不良价低、灵敏度低、重复性 好、温度范围广。 f 热敏电阻5 0 + 3 0 00 2 20 2 2 0不良 线性差、体积大、稳定性 差、一致性差 双金属片 2 0 + 2 0 0o5 50l 1 0 不良价低、精度低、重复性差。 | 集成温度传感器 5 5 + 1 5 00 3 0 2 优良高精度、体积小、线性好、 高灵敏度、使用简便。 模拟集成温度传感器是可完成温度测萤及模拟信号输出功能的专用集成电路( i c ) ，它属于最简 单的一种集成温度传感器。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一( 仅测量温度) 、测温误差小、 价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、适合远距离测温、控温。外围电路简单，它是目前国 内外应用最为普遍的一种集成传感器。典型产品有a d 5 9 0 、a d 5 9 2 、t m p l 7 、l m l3 5 等。同时它作 为数字( 智能) 温度传感器的温度传感单元，是其硬件核心，因而是温度传感器系统研究的重点之 一口 1 东南大学硕士学位论文 3 、智能温度传感器： 智能温度传感器( 亦称数字温度传感器) 是2 0 世纪9 0 年代中期问世的，它是微电子技术、计 算机技术和自动测试技术( a t ) 的结晶。智能温度传感器系统内部都包含模拟集成温度传感器单元、 a d 转换器、信号处理器、存储器( 或寄存器) 和接口电路。有的产品还带有多路选择器、中央控 制器、随机存储器和只读存储器。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量， 适配各种微控制器( m c u ) 。它是在硬件基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度取决于 软件的开发水平。它也是集成温度传感器领域中最具有活力和发展前途的一种新产品。与传统温度 传感器相比具有以下优点【1 ：第一，精度高。由于智能温度传感器具有一定的数据处理能力，不但 可以通过软件对传感器的非线性进行修正，而且还可以对系统误差、随机误差等进行补偿，从而使 传感器的精度大为提高。第二，具有一定的可编程自动化能力。智能传感器可以通过预先编制好并 己存入存储器中的程序，对传感器进行自检、自校、自诊断、自动调零等。第三，输出形式多。可 输出模拟信号以及面板数字实现十进制数或c r t 显示并通过打印机保存数据等。第四，能以最简单 的方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统。 在集成温度传感器电路的发展过程中。双极型电路最为成熟，由于双极晶体管发射结良好的温 度特性，使其在灵敏度和稳定性方面都达到了相当高的水平。而二十世纪七十年代以来，由于对m o s 晶体管的基本理论和制造技术的深入研究，加上电路设计和工艺技术的进步，m o s 模拟集成电路得 到了迅速发展，其中c m o s 电路更是凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点，成为 数字集成电路产品的主流。在这一背景下，为了获得低成本、高性能的模拟集成电路产品，基于 c m o s 工艺的各种商精度模拟电路受到了人们的关注，并成为集成电路技术中的一个重要研究领域。 基了= c m o s 工艺的集成温度传感器使得温度传感器与接口电路能做在一块硅片上，在降低成本 的同时实现小型化、智能化和标准化。近来，温度传感器由于在v l s i 芯片功耗控制，多传感器系 统的温度补偿，自动化制造工厂的环境温度监控，消费电子产品的温度控制( 如汽车和家用电器) 等要求低功耗、低成本的系统中的广泛应用，c m o s 工艺实现的集成温度传感器更加具有广阔的开 发与应用前景【l4 1 国外c m o s 温度传感器的设计和生产都已经达到相当高的水准，如s m a r t e c 1 公司 生产系列产品的工作范围可以达到1 7 0 ( - 4 5 1 3 5 ) ，精度达到07 ，功耗小于l m w 。在国内 c m o s 温度传感器的研究设计和生产方面尚处于起步阶段，还没有产品在市场上出现。 1 2 研究现状 1 2 1 集成温度传感器的设计原理 以硅为基础的半导体集成电路中，可以实现温度传感器功能的器件单元有集成电阻、m o s 晶体 管、硅二极管、取极晶体管和c m o s 工艺下的寄生双极晶体管。其中，集成电阻有出色的长期稳定 性，但没有较好的线性度，无法满足高精度运用的要求。m o s 晶体管的温度基本信号来自阈值电压 和迁移率，主要限制因索是高温下会产生漏电流、复现能力低、容差大和长期稳定性差，在高性能 要求时必须有大范围的微调和校准工作。硅二极管和双极晶体管利用了理想p n 结在恒定电流下正 向电压随温度近似成线性关系的原理，优点是低成本、出色的长期稳定性、高灵敏度、可预测性较 高和相关温度的时间非依赖性。缺点是受自身成熟、工艺容差的影响，以及热循环后信号有小漂移 和小数量级的非线性。另外，在c m o s 工艺中利用寄生双极晶体管也能到达良好的传感性能。 h a l 二极管作为温敏器件是利用p n 结在恒定电流条件下。其正向电压与温度之间的近似线性关系， 这种关系对扩散电流成立。但是，对于实际的二极管，其正向电流除扩散电流成分外，还包括空间 电荷区中的复合电流成分和表面复合电流成分。后两个电流成分与温度的关系不同于扩散电流成分 和温度的关系，因此，实际二极管的电压一温度特性将偏离理想情况。采用三极管代替二极管作为 温敏器件可以很容易解决这个问题。在发射结正向偏置条件下，虽然发射极电流包括上述三种成分， 但只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另两个电流成分则作为基极电流漏 2 第一章绪论 掉，并不到达集电极。正是由于这个原因，双极晶体管的i c v a e 关系比二极管i ，vr 关系更符合 理想情况，并因此表现出更好的电压一温度特性。 1 7 l 而实际上，由于对于一个双极晶体管， i c = ，se x p 帆e ) ( 1 - 1 ) 其中v t = k t q ，而饱和电流i s 正l b t 肚t n ? ，为少数载流子的迁移率，n 。为硅本征载流子浓度。 这些参数与温度的关系可以表示为。c 鳓丁”，n e p m 。一3 2 ，并且n ? 。c 丁3e x p - e 。( k t ) ， 其中e g “1 1 2 e v ，为硅的带隙能量。所以 驴 4 x p 鲁 ( 1 2 ) 其中b 是一个比例系数。 将( 1 1 ) 式写成 = i n ( s c 1 5 )( 1 - 3 ) 在假定ic 不随温度变化的情况下，可得到 翌c n 量t = 堡t 如鲁一( 4 + 巩) 生t 一枭k t ， 、7 。 1 矿矗( 4 + ) 一e 。q 丁 ( 1 _ 4 ) 上式给出了基极发射极电压的温度系数从中可以看出，它与v b e 本身的大小有关，还与温度 有关”，表现出一定的非线性，而且这种关系也不直接与任何温标( 绝对、摄氏、华氏或其它温标) 相对应。此外，即使是同一型号同一批次的晶体管，其基极一发射极电压值也可能有1 0 0 m v 的分 散性。 图1 - 1p t a t 电压产生电路 1 9 6 4 年人们认识到。”，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极发 射极电压的差值就与绝对温度成正比。例如，如图1 1 所示，如果两个发射极面积为i n 倍关系的晶 体管( i s 2 = m i s ，) 偏置的集电极电流分别为n i o 和i o 并忽略它们的基极电流，那么 3 东南大学硕士学位论文 = ，一：= 等- n 每 = 瓢争舟等n 记 。，= 圪。= s t ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) 其中s p t a t ；k l n ( m n ) q ，且s p r a t 在给定器件和电路参数的情况下，是与工艺和温度无关的常数。 可见，若利用高精度的电流源使得这两个匹配晶体管的集电极电流相同，则v d 诅t 直接由绝对温 度和电流密度比决定，与工艺参数无关。依据这个原理，温度可由测量k ，得到，而与p n 结的初 始正向电压，物理尺寸、漏电流和其它特性无关，给出直接正比于绝对温度的线性输出。图1 - 1 所 示电路也被称为p t a t ( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 电路，带隙基准电压源电路的正温度 系数也是通过这种形式的电路实现的。鉴于带隙基准电压源电路研究和应用的广泛性，也将利用此 原理设计的温度传感器称为带隙温度传感器。 以往大多数的集成温度传感器是用双极型工艺实现的，选择双极晶体管作为温敏器件进行设计 的。对于c m o s 温度传感器的设计，依据不同的传感器原理，人们也提出了不同的设计方法【l ”。”】： 利用m o s 晶体管在弱反型区的电性质原理；m o s 晶体管的阈值电压v j 和增效因子b 的温度性质： 环形振荡器的频率温度相关原理：单晶硅内部热扩散常数的热相关性质等。但这些方法都各自存在 一些性能上的不足，现在大多数的c m o s 温度传感器产品的设计是利用c m o s 工艺中寄生的双极晶 体管作为温度敏感元件，从而达到与双极晶体管接近的温度性能。 采用的结构有c m o s 纵向双极晶体管( c v b t ) 和c m o s 横向双极晶体管( c l b t ) ，如图1 2 所示。其中，c m o s 纵向双极晶体管( c v b t ) 是以源漏扩散作为发射极，阱作为基区，衬底作为 集电区，它的性能与典型的双极晶体管比较接近。缺点是管子的集电极被固定在芯片的衬底，使用 范围受到限制”j 。而c m o s 横向寄生取极晶体管( c l b t ) ，是以m o s f e t 的源、漏扩散为发射极 和集电极，沟道区作为基区。它的工序相对更简单，且集电极不受到限制。但其性能与典型的双极 晶体管相比，不足的是沟道下迁移率的不均匀性( 由于基区注入浓度的偏差) ，以及基极一发射极面 积和基极宽度无法精确定义。另外，这种晶体管的电流增益一般小于5 ，而且通过c v b t 向利底的 漏电可能高达5 0 。所以，选用c m o s 工艺中寄生的纵向双极晶体管作为温度传感器的敏感元件能 达到更好的温度特性。这样，在c m o s 工艺中采用了这种比较简单的方法也实现了近似双极晶体管 温度性能的结构，实现了线性的温度测量”】。 r 删7 吲ii 驯吲吲f 蝻 ” p 女f 盹 图1 - 2c m o s 纵向晶体管( c v b t ) 和横向晶体管( c l b t ) 的剖面图 1 2 2 集成温度传感器的研究进展 自集成温度传感器问世以来，随着设计技术的不断进步和生产工艺的不断发展，它们的各种缺 陷被逐渐的认识和克服，集成温度传感器的性能也相应地得到了较大幅度的提高和改善。尤其是近 几年，i t 行业的迅速崛起为集成温度传感器开拓了更为广泛的应用空间。以下对近年来集成温度传 4 第一章绪论 感器的设计技术进展作一简要概述。 1 低成本 温度传感器由于台式电脑和笔记本电脑上的应用，市场对低成本传感器系统的需求不断增加。 为了降低成本，往往会在芯片上增加a d 转换器，从双极工艺和b i c m o s 工艺转向标准c m o s 工艺。 据报道利用c m o s 工艺横向双极晶体管能够制作出较精确的温度传感器”1 ，但是横向双极晶体 管的质量与工艺密切相关，电流增益和漏电流不易控制，且参数不易获取，所以采用横向双极晶体 管难于获得好的电路设计。此外，芯片面积已经减4 , n 几个平方毫米，封装则采用成瘁非常低的 q s o p 。但由于温度传感器仍然需要校准【l ”】，用于校准的费用仍在稳步增加，所以现在最有吸引力 的降低成本的方法就是不用校准。a n t o nb a k k e r 等人【1 ” 采用崭波和自动匹配( d e m ) 技术获得了 精度为1 的免校准温度传感器。 2 低功耗 v i t t o z 的研究表明可以利用c m o s 工艺晶体管在弱反型区工作制作基准电压f 12 ”但是对于温度 测量，这些器件的参数和温度系数的重复性很差，且都与闽值电压有关。a n t o nb a k k e r 等人采用开 关电源技术获得了功耗小于1 0 u w 的微功耗c m o s 温度传感器设计方案。 3 智能化 随着2 0 世纪下半叶工业加工自动化程度的不断提高，智能化也被引入温度传感器。在传感器系 统中加入a d 转换器是一个明显的标志，智能温度传感器的最大优点就是成本低，但这往往是以牺 牲精度为代价的。智能温度传感器的工作温度同标准i c 工艺一样是5 0 - - - - 1 5 0 。c ，精度为o 5 3 ， 成本在$ o 2 5 $ 1 o o 。智能温度传感器主要应用于大规模数字系统的热管理，而其中最重要的应用是 p c 机。成本和精度是温度传感器的两个重要参数。所以最好的工艺选择是较老( 线宽较大) 的c m o s ：【：艺线，因为价格便宜且可以处理5 v 电源系统。 ” 4 高精度 目前带隙温度传感器的误差主要是由于运放失调的影响及电压圪，和串联电阻的离散性还育， 对于c m o s 工艺的带隙基准温度传感器来说，由于其所用的c m o s 工艺寄生的双极晶体管的特性不 如双极工艺晶体管的特性那么理想，所以也会引入一些误差。为降低失调，目前主要采用的是崭波 或是其它一些动态失调消除技术，如自动调零和相关双采样等技术【12 ”。对于k 。的离散性，采用动 态元件匹配技术，可达到0 0 5 精度，温度误差可达到01 5 0 0 2 3 1 。g u i j i e 和m e i j i e r 对c m o s 工艺 纵向双极晶体管的温度特性做了深入的研究，并给出了有关参数优化的依据 12 。m i c h i e l 和p e r t i j s i | 。”1 仔细考虑了c m o s 工艺纵向双极晶体管的串联电阻、电流增益离散性、高注入效应以及z a r l y 效应 对p t a t 电压精度的影响，文献中也出现了一些相关的补偿技术【12 。1 2 6 o 另外，对于带隙温度传感 器需在较宽的温度范围内的校准，也发展了一些相关的曲率校准技术。 1 。2 7 】 1 3 本论文的主要工作 c m o s 温度传感器是国家8 6 3 项目“气象检测微系统”( 包括风速风向传感器，湿度传感器、温 度传感器、压力传感器等) 的一个子项目。它测量温度的信息，输出与温度成正比的电压信号，并 经过a d c ( a n a l o g d i g i t a l c o v e t e r ，模数转化嚣) 获得数字化的信号后，经m c u 迸一步处理，用于 气象系统的温度检测及其它气象传感器的温度补偿，如图1 - 3 所示。本文主要工作是完成气象监测 微系统在a d c 之前的温度测量硬件的研究和设计。 东南大学硕士学位论文 图1 - 3 气象检测微系统框图 c m o s 温度传感器电路的主要研究工作如下： 1 通过对国内外现有各种集成电路的特点和性能的比较，结合集成温度传感器的发展趋势， 确定了c m o s 温度传感器的设计方案：基于c m o s 工艺的带隙温度传感器。并结合项目要求，提出温 度传感器设计的具体指标。 2 计算了温度传感器制作所用p 阱2 u mc m o s 工艺纵向n p n 晶体管的s p i c e 模型参数，因为工 艺厂没有提供。 3 利用选定的p 阱2 u m 工艺线的器件模型，对所确定的电路进行设计。通过反复进行h s p i c e 仿真模拟，使电路性能达到所要求的指标，确定电路的最佳结构和器件的晟优参数。 4 在版图设计中，认真考虑了关键元件的版图设计。在运用l e d i t 版图设计工具时，通过与 f o u n d r y 厂合作，编写了适用于l - e d i t 和该流水线的参数提取定义文件和截面提取工艺文件等接口文 件，保证了版图设计的正确性和完整性。 5 在流片完成后，对工艺参数和电路性能进行了测试，给出了测试曲线和数据，并针对测试 结果进行了分析和展望。 6 针对所设计的传感器电路，进行了详细的总结，并提出了改进的措施，为以后项目的进一 步开展提供了建议和意见。 本文首先浅谈了课题的背景和意义。第二章在根据项目要求提出温度传感器的设计指标后，具 体介绍了基于c m o s 工艺的温度传感器电路的设计、仿真全过程。第三章介绍了c m o s 带隙温度 传感器的版图设计，重点介绍了关键元件版图设计的考虑。第四章记录了对工艺参数和电路性能的 测试结果与分析。最后第五章对整个温度传感器的设计进行了总结并给出了意见和展望。 1 4 本章小结 将基于c m o s 工艺的温度传感器作为研究对象，符合温度传感器的发展方向，也符合模拟集成 电路的发展趋势，具有一定的先进型和代表性。本章具体综述了温度传感器的研究和发展状况及最 新的研究进展，解释了集成温度传感器设计的基本原理，并交待了本论文的主要工作。下一章将具 体介绍c m o s 温度传感器的电路设计和仿真。 第二章c m o s 带隙温度传感器的电路设计与仿真 第二章c m o s 带隙温度传感器的电路设计与仿真 本电路设计所采用的工艺是中国电子科技集团第五十八研究所的2 u r np 阱c m o s 工艺 进行仿真和流水的。 2 1c m o s 带隙温度传感器电路的设计方案 2 1 1c m o s 带隙温度传感器的设计要求 鉴于实验室气象检测微系统项目中包含多个传感器( 湿度、压力、温度、风速传感器) ， 要求这几个传感器的信号处理接口电路能够兼容于同一个系统内，这就要求处理电路最好采 用相同的电源电压，输出电压范围大致相同，使得整个传感器系统输出的模拟信号可以用同 一个ad 转换器转换成数字信号进行后处理。再考虑到温度传感器本身测温范围的要求，将 本文所述温度传感器的主要设计指标整理如表2 1 所示： 表2 1c m o s 带隙温度传感器电路的设计指标 参数指标 测温范围 一4 0 6 0 电源电压 5 v 单电源供电 电压输出范围o 3 v 模拟信号 2 12c m o s 带隙温度传感器的设计思路 通过上一章的调研和分析，确定了带隙结构温度测量原理的c m o s 温度传感器电路设 计方案。又根据上一节提出的项目对温度传感器的基本测温要求和其所处系统的要求，本文 设计的c m o s 带隙温度传感器电路主要分为以下几个部分：温度敏感部分( 核心感温电路 及其所必需的启动电路) 、电平转移电路( 作用是使温度传感器输出信号满足后续比例放大 器的输入要求，及使温度传感器的最终输出范围达到a d 转换器接口电路的输入要求) 和比 例放大电路( 进一步增加温度传感器的温度灵敏度) ，见图2 - 1 所示。本章后面几节将分别 对这几部分电路及其核心元件和单元作具体介绍。 图2 1c m o s 带隙温度传感器电路设计框图 v o u t ( t ) 东南大学硕士学位论文 2 2p 阱c m o s 工艺纵向n p n 晶体管特性 电路制作选用的是p 阱c m o s 工艺，温度传感器电路设计中选用的温度敏感元件是纵 向n p n 晶体管，其剖面图如图2 - 2 所示。由于工艺线没有提供寄生纵向双极晶体管的s p i c e 模型参数，本文作者在做电路设计、模拟之前，根据工艺线所给c m o s 工艺中的结深和掺 杂浓度等参数通过理论公式对这些参数进行了估算。 fi -b 图2 - 2p 阱c m o s 工艺中n p n 双极晶体管的实现 根据流水工艺线所给工艺文件中提供的工艺参数，可得到寄生n p n 管各区的参数如下 表所示： 表2 2 p 阱c m o s 工艺纵向n p n 管工艺参数 n p n 晶体管相应c m o s 工艺宽度( u m ) 电阻率方块电阻 发射区源漏 04 f 5 0 2 0 ) n i 基区p 阱03 6 r 3 0 4 - 0 4 ) k o e l 集电区村底5 9 0 e r a 这样通过依尔芬曲线 2 1 1 可得到纵向n p n 管各区的掺杂浓度分别为：发射区掺杂浓度n 。= 4 1 0 1 9 c m 3 ，基区掺杂浓度n b = 1 x 1 0 1 6 c m 一，集电区掺杂浓度n c = 2 1 0 1 5 c m 。 由于内建电势 _ = 了k t 上n 【学j p t ， g ln i 其中k 是波尔兹曼常数，n i 是硅的本征载流子浓度，n a ，n d 分别为结两边的p 型和n 型半 导体的掺杂浓度( 即施主杂质浓度和受主杂质浓度) 。 p n 结的零偏耗尽层电容为 = 彳院( 番铙矿 陋z ， 其中a 为p n 结面积，e 。为硅的相对介电常数，v b j 为内建电势。 又发射极注入效率 2 面1 2 _ 3 ) 肛口 d g e 其中d 旺为发射区空穴扩散系数，d t l b 为基区电子扩散系数，g b 为基区g u m m e l 数，g e 为 发射区g u m m e i 数。 共基极电流增益 口= y o 版( 2 4 ) 第二章c m o s 带隙温度传感器的电路畦计与仿真 其中历为晶体管的基区输入系数，对于均匀基区晶体管 p a = l - w ；一番 其中r 。为基区电子渡越时间，l i b 为基区电子