1 导言
在电子产品中许多电子元器件的特性都和温度密切相关，因而为了消除电子元器件功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。比方因为温度引起的晶体频率补偿[1]，依据温度操控的 MEMS 体系[2]等。独自的温度传感器也嵌入到各种运用中，比方医疗健康[3]，近场通讯[4]。关于温度传感器技能自身而言，选用能量搜集技能(Energy harvest)完结低功耗[5]，选用数字化和自适应补偿[6-11]等成为一些研讨方向。因而怎么规划功耗低、芯片面积小、精度高的温度传感器就成为这一课题继续研讨的动力。传统的 CMOS 温度传感器运用三极管或热敏电阻的温度特性来规划，而本文提出了一种运用两种不同温度系数资料来作为温度传感，选用同享电容的双路环形振动器来完成温度传感器的技能。
2 温度传感器原理
温度传感器的规划，需求一个对温度灵敏的电子元器件来完成，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-电阻的联系一般近似如式 1 所示。
(1)其间，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资料有关。一般在其正常作业温度范围内，热敏电阻的温度-电阻曲线近似线性联系，如图 1 所示。工程上为了核算便利，一般将其曲线用线性方程做近似拟合，拟合后公式一般为式 2 的方法[12,13]，
(2)其间，A1，A2 为温度参数。关于不同的热敏电阻资料，其温度系数和一般不同。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资料制成的热敏电阻的温度系数信息[14]，本文便是运用多晶硅和金属的不同温度系数来规划温度传感器。
3 温度传感器电路
在实践电路中电阻值不便于直接丈量，因而一般通过必定的电路把电阻值转化为与其成必定函数联系的电流、电压或频率值等便于电路的丈量和处理。而这其间，又以运用恒流源将电阻值转化为电压值，再通过 ADC 将模仿电压值转化为数字值供给给后端电路的计划最为常用。这种办法通过调整恒流源电路发生一个稳定的电流，该电流在流经电阻时发生适宜的电压偏置。后级滤波扩大电路对这一信号进行处理，并将滤波扩大后的电压送到 ADC，通过 ADC 转化，得到的数字电压值供给给后续电路处理。因为现行 ADC 能够供给很高的转化精度，而且各电路模块都有十分老练的处理计划，因而被广泛运用于各类温度传感器的产品和处理计划中。可是 ADC 电路在转化时一般需求较高的能量，而且其本钱较高。因而关于低功耗、低本钱的运用，这种计划还有待进步。本文提出了一种同享电容的双路环形振动器如图 2，运用两个振动器频率的不同来核算温度的计划[15-22]，该振动器有面积小，功耗低，准确度高的长处。
本文提出的温度传感器电路是一个环形振动器(Ring oscillator)，其间的 RC 决议了该 Ring oscillator 的频率。该电路中 R 是可选的，能够用金属电阻(Metal Resistor)也能够挑选多晶硅电阻(Poly Resistor)，不同的电阻串联在电路上就能取得不同的振动频率。
振动器频率和 RC 的联系如式 3。
(3)该电路中，当 SEL=1 的时分，电路挑选的是 PolyResistor，当 SEL=0 的时分电路挑选的是MetalResistor，依据公式(1-4)，能够得出频率的比值和电阻比值的联系，从等式能够看出该频率比值消除了电容 C 的影响，即便芯片和芯片电容的一致性差，也能确保频率的份额联系反响的是两个电阻的份额联系，这样电容 C 能够运用芯片内部的双多晶硅/双金属层/叠层金属(PIP/MIM/MOM)电容来完成。不需求外接准确的电容。
Fmetal / Fpoly = C&TImes;Rpoly / C&TImes;Rmetal
= Rpoly / Rmetal
4 温度传感器完成
依据这个原理，本文选取了 SMIC 的 CMOS 工艺规划了一个温度传感器。依据该工艺的 PCM 标准，咱们得到如图 3 所示的 Poly Resistor 和 Metal Resistor的温度曲线。因为金属电阻是正温度系数，多晶硅电阻是负温度系数，因而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。尽管电阻是温度的二次函数，可是二次项系数很小，比一次项系数小 3～4 个数量级，因而在工业级芯片的作业范围内，能够近似为温度的一次函数。这样有利于核算便利。
因为金属方块电阻的巨细远远小于多晶硅电阻，从图 3 能够看到二者的份额到达 1 000 倍。相同的方块电阻，金属电阻的面积比多晶硅电阻大许多，图 4 是该温度传感器在显微镜下的俯视图，图中标明晰电容电阻的大致份额联系，其间的电容是选用的是 MIM电容。
该温度传感器芯片的测验数据如表 2，从表中能够看到，环形振动器的周期都跟着温度的上升而升高，这主要是因为温度升高引起了 MOS 管电流下降，所以两种资料的振动器周期的绝对值是随温度升高而升高的，可是振动器周期的份额是跟着温度升高而下降的，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。
依据表 2 的数据运用 Matlab 的最小二乘拟合，咱们能够得出图 5 的振动器周期比和温度的联系，该拟合的最小二次系数 R2 = 0.9999，能够得到很高的拟合度。实践产品中，能够选取两点或许多点来拟合整条曲线。咱们在产品测验中选用 20℃和 50℃ 两点来拟合整条曲线，依据拟合曲线和实践测验得到的频率核算温度，在 20 ℃～50 ℃ 这个温度范围内的温度准确度到达了 0.1℃，而整个传感器的功耗小于 1μA。实践测验发现，拟合的点数越多，准确度越高，该温度传感器通过 1 000 小时寿数测验今后，准确度依然能够到达 0.4 ℃。
5 结语
本文规划了一种双路环形振动器结构的温度传感器，提出了运用同享电容的方法处理了电路加工的时分元器件不一致的问题，给出的实测数据标明该电路的准确度能够到达±0.1℃，该传感器的功耗小于1μA。
本文研讨规划的这种温度传感器有着较杰出的功能和体现，能够满意大多数运用领域的需求。
