一种利用两种不同温度系数材料来实现温度传感器的技术的概述

杨小奇，万建军，刘文江

摘要：传统的嵌入式温度传感器利用三极管和 ADC 来实现，本文提出了一种利用两种不同温度系数材料作为传感，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，该温度传感器有功耗低，面积小，精确度高的特点。

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  温度传感器威廉希尔官方网站

在实际威廉希尔官方网站 中电阻值不便于直接测量，因此通常通过一定的威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 的方案最为常用。这种方法通过调整恒流源威廉希尔官方网站 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。后级滤波放大威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 处理。由于现行 ADC 能够提供很高的转换精度，并且各威廉希尔官方网站 模块都有非常成熟的解决方案，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 威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 是一个环形振荡器（Ring oscillator），其中的 RC 决定了该 Ring oscillator 的频率。该威廉希尔官方网站 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），不同的电阻串联在威廉希尔官方网站 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）

该威廉希尔官方网站 中，当 SEL=1 的时候，威廉希尔官方网站 选择的是 PolyResistor，当 SEL=0 的时候威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 加工的时候元器件不一致的问题，给出的实测数据表明该威廉希尔官方网站 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。