片上温度传感功能集成的研究进展

片上温度传感功能集成的研究进展

0集成温度传感器水温传感器是应用最广泛的传感器之一。从空调、冰箱、电动汽车、pc、手机等应用产品到家电产品，您需要具有温度传感器功能的设备。随着各类电子产品的便携化,可用于片上测温的集成温度传感器的发展便越趋灼热化。据美国仪器学会调查,2000年,集成温度传感器总收入为2.3亿美元,估计2006年将达6亿美元。传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)虽然有着各自不可替代的优点,但因为与IC(integratedcircuit)工艺不兼容,而且,可能因自热效应影响测量精度,制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流、频率输出,在相当大的温度范围内(-55～150℃)都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。1集成电阻器硅基IC电路中,可实现温度传感功能的元器件主要有集成电阻器、二极管、双极晶体管、MOS(metaloxidesemiconductor)晶体管。当然,还有各种利用MEMS(micro-electro-mechanicalsystems)工艺制造的热敏电阻器、热电偶等,但目前基本上还与CMOS(complementaryMOS)工艺不兼容。集成电阻器在室温下的热灵敏度一般在0.05%～1.0%/℃-1,其中,多晶硅电阻器则具有出色的长期稳定性。但集成电阻器一般线性度都较差,在-60～180℃的工作范围内,只能达到2.5℃的精度,难以满足高精度应用要求。在40～400K范围内,基本上可以认为二极管的电压与温度呈线性关系,通过片上二极管的前向电压Vf,理论上,可以得到随温度线性变化的输出曲线,但其实际测量时,会有较大的开关噪声。1.1温度传感器的结构二极管的电流包括扩散电流和耗尽层、表面层里的产生复合电流,后者在双极晶体管的基极互相抵消,所以,正向偏置的双极晶体管的集电极电流IC基本上都是纯扩散电流,若利用高精度电流源,令2个匹配晶体管的集电极电流相同,ΔVBE将和绝对温度成正比(proportionaltotheabsolutetemperature,PTAT)。但这样得到的温度电压曲线起点是绝对零度,对于-50～150℃的测温范围,电压输出不是0～5V,对于后端A/D来说,需要额外的电平移动电路。通过构造Vt=aVptat-VBE1和Vref=VBE1+aVptat可以得到任意的过零点TZ以及几乎不随温度变化的恒压源。采用BJT(bipolarjunctiontransistor)的优点是低成本、长期稳定性、高灵敏度、可预测性较高,以及相关温度的时间非依赖性。缺点是受自生成熟、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。为了和n-wellCMOS工艺兼容,需要采用寄生三极管技术实现,主要有2种结构:纵向双极晶体管(CMOSverticalbipolartransistor,CVBT),横向双极晶体管(CMOSlateralbipolartransistor,CLBT)。CVBT的主要缺点在于集电极和芯片衬底短接,限制了它的应用范围。CLBT的不足是由于基区掺杂浓度的偏差造成的沟道下载流子迁移率的不均匀性,以及侧向扩散导致的基极发射极面积和基极宽度无法精确控制,所以,这种晶体管的电流增益一般小于5。文献采用CVBT技术,0.5μmCMOS工艺制作的温度传感器,斩波运放和动态匹配技术以提高读出电路精度,二阶曲率补偿来提高线性度,封装后再校正,以去除引线键合的残余应力影响,使得该传感器在-50～120℃范围内达到±0.5℃的精度。采用双极晶体管制作的温度传感器还存在一个缺陷:当该结构工作在AC电源下,会出现信号幅度随频率变动的现象,因为衬底漏电流的存在。如果改用具有N型隐埋层的CMOS偏置源,就可以解决该问题。1.2数字环振的设计方案利用CMOS构建温度传感器一般有2种途径。其一是利用MOS管的亚阈值区构造MOS管的PTAT,灵敏度可达1.32mV/℃,但对偏置源的依赖有100mV/V,且高温下会产生漏电,因对阈值电压VT依赖大,在高性能要求时,必须有大范围的微调和校准,不具备长期稳定性;另一途径是通过强反型状态下,MOS管的载流子迁移率μ与VT和温度的关系加以测量。基于此有5种设计方案:即只基于μ随温度的改变;只基于VT随温度的改变;同时考虑VT和μ2个变量;利用MOS器件的零温度系数点(zerotemperaturecoefficient,ZTC);以及利用逻辑门延时随温度增加的原理来构建的数字环振。方案一过于粗略,已趋淘汰;方案二的最大缺陷是输出没有驱动能力,若采用运算放大器,则需要用到电平移动电路以及恒压源。当NMOS接成二极管形式,则随温度变化得到的电流I随VGS变化的一簇曲线存在一个公共的交点,即ZTC点;基于方案四可以很容易得到不随温度变化的参考电压源或者温度传感器,但因为需要调整掺杂浓度,对工艺有一定的特殊要求。对于只提供门电路单元的数字电路设计(如fieldprogrammablegatearray,FPGA)来说,模拟电路结构的温度传感器是很难实现的,通过对各类结构的数字环振加以研究,文献得到了在-50～150℃范围内线性度误差小于0.2%的温度传感器。CMOS温度传感器和基于寄生BJT的温度传感器相比的主要优势在于模型精确,受封装影响小,在AC电源下衬底漏电小,且占用芯片面积小等优势,但其主要的缺点是受工艺波动的影响要大于后者,所以,产业界目前仍普遍采用CVBT技术。1.3衬底电流偏置对动态栅电压的影响文献介绍了一种MOS隧穿温度传感器,这是一种采用特殊工艺制作的和CMOS工艺兼容的MEMS温度传感器。作者制作了一个2.5mm×2.5mm,2.1nm厚的MOS电容在p衬底上。在积累区,电荷传输占主导作用,所以,电流输出和温度无关;在反型区,因为氧化层厚度有限,限制了少数载流子的产生速率,当这个产生速率低于隧穿速率时,栅电流饱和,而少数载流子是温度敏感的,所以,反向栅电流会随温度改变。实验结果揭示,当传感器以恒定电压正向偏置时,在20～110℃范围,栅电流增加超过500倍;传感器以恒定电流偏置时,栅电压随衬底温度变化灵敏度超过-2V/℃,和传统pn结相比,超过了1000倍。这类采用特殊工艺制作的MEMS传感器有着巨大的潜能,但目前尚处于研发阶段。1.4采用片上计数和数字接口输出采用模拟输出的温度传感器需要外加线性化电路及校准,因此,会使成本增加。而数字化接口或频率输出能使性能更可靠,即使在量产时仍能保持其精确度。频率输出通常采用的方法是做一个环形振荡器(ringoscillator,RIO)或张驰振荡器(relaxationoscillator,REO)。前者会受VDD变化的影响,而后者理论上与VDD无关。两者都基于相同的原理,通过对电容器的充放电产生振荡,充放电电流来源于某个温度敏感元件(如,只考虑一阶温度系数的多晶电阻)。为了数字接口输出,有通过片上计数器实现,其主要缺点是面积大;另一种方案是采用片上集成A/D,然后,通过I2C等总线协议输出;当然,还有通过RF电路来获取能量以及传输数据的温度传感器。2灵敏度和精度表1列出了2000年以来一些发表在国内外期刊上的温度传感器性能指标,从表中可以看出:灵敏度和精度并没有一个统一的度量指标,不易评价,但一般都需要在流水后通过单独校准来满足精度需要。功耗和面积都趋向于减小,且更注重于集成AD及频率化输出,以和后端数字处理电路进行接口。3cdk-ptat的温度传感器和热扩散过程现在,CMOS温度传感器的发展状况有2条主线:一条是从传统的基于二极管pn结到双极晶体管PTAT,再到BiCMOS工艺、CMOS兼容的