半导体温度传感器及其芯片集成技术_图文.

第12期・传感器技术・

半导体温度传感器及其芯片集成技术*

林凡,吴孙桃。郭东辉

(厦门大学,福建厦门 361005

摘要:半导体温度传感器是利用集成电路的工艺技术,将硅基半导体的温度敏感元件与外围电路集成在同一芯片上,与传统类型的温度传感器比较,具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。分别介绍了双极型工艺和 CMOS工艺下的半导体温度传感器的基本设计原理,并具体提出一种CMOS型集成温度传感器设计电路。此外,还介绍了半导体温度传感器的芯片集成技术,并总结了Ic设计中出现的关键技术问题与解决方法。

关键词:半导体温度传感器;集成电路;单片系统

中图分类号:TN212.11文献标识码:A 文章编号:1002—1841(200312—0001—02

Semiconductor Temperature Sensor and its SoC Tedmology

LIN Fan,、vU Sum-tao,GUO Dong-hui

(Xiamen University,Xiamen 361005,China

Abstract:Using IC technology,Semiconductor temperature鸵nsor caIl realize the in 嘧tion of sensing and di西tal processing func・ tions on the班llne chip.G砌1删with otller traditional temperature se删娜,it has the advantages of 800d

sensitivity,lineatrity,low power consumption,etc.Introducing the basic desi伊principles of semiconductor

temt℃rature靶删,using bipolar and CMOS technology re-spectively,and妯ng forward a practical circuit of CMOS integrated temperature senfior.In additions,its system-on-chip(SoCtechnology and key technologies in the IC design am￥1Jmmalq_zed.

Key

Words:Semiconductor Temperature Sensor;Integrated Circuit;System-on-Chip.

1引言性。另外,在cMOS工艺中利用寄生双极晶体管也能达到较好传统的温度传感器(如热电偶、铂电阻、双金属开关等有的传感性能。

许多局限硅,只能提供模拟信号输出,且在大多数应用中输出以往大多数的集成温度传感器是用双极型工艺实现,选择端都需要另外配置比较器、AD转换器或放

大器等。此外还受双极晶体管为温敏器件进行设计。但是现今CMOS工艺成为到封装体积、线性表现以及准确度的制约,限制了其在微型化主导工艺,并随着Ic集成度的提高和便携式设备的普及,能在高端电子产品中的应用。随着集成工艺的发展,半导体集成温标准数字工艺中实现的CMOS集成温度传感器具有低电源、低度传感器将辅助电路中的元件和温度传感元件同时集成在一功耗、占用面积小、易于

在同一芯片上进行信号调节和信号处块芯片上,具有价格低廉、设计简单、测量精确、高度集成等优理的优点,也逐渐得到人们的重视。以下将主要介绍这两种工点,在计算机、电信、工业控制等领域得到广泛的应用。近年艺技术下温度传感器的

设计原理,并提出一种可实际应用的集来,集成温度传感器在平均价格有所下降的同时,销售率却以

成温度传感器电路。

17%。18%的速度持续增长,2000年集成温度传感器总收人为 2.1双极晶体管的温度传感原理

2.3亿美元,据估计2006年总收入将达6亿美元。因此将介绍二极管电流包括

扩散电流和耗尽层、表面层里的产生一复半导体温度传感器的设计原理及其芯片

集成技术,并总结温度合电流,这些电流相对纯扩散电流有不同的温度行为,晶体管

传感器IC的设计中的关键技术问题。的基极可以吸取这部分电流,所以正向偏置的双极晶体管的集

2半导体温度传感器的设计原理

在以硅为基础的半导体集成电路中,可以实现温度传感功能的器件单元主要有集成电阻、MOS晶体管、硅二极管、双极晶体管和CMOS工艺下的寄生双极晶体管等。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。MOS晶体管的温度基本信号来自阈值电压和迁移率,主要限制因素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的PN结能产生正比于温度的电压,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。缺点是受自生成热、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

*国家自然科学基金(No:60076015;福建省自然科学基金(No: A0010019,Eollo004资助项目;厦门市科技资助项目(3502220031089。收稿日期:2003—05—07收修改稿日期:2003—07—25 电极电流基本上都是纯扩散电流。

双极晶体管的理想集电极电流‘在正向工作区与电压亿的关系式是:

比=等k(毒 (1 式中:_|}是波尔兹曼常数;T是绝对温度;18是饱和电流;厶为集电极电流

,c=k(r/ro。

式中:口是温度指数;Jc.是绝对温度,为%时的集电极电流。代入式(1,经整理可得双极晶体管的基极一发射极电压的二次近似[1]:

比=‰一sr小Qr(等2(2 k k+高m_口‘‰ 式中:sr=[飞一k+口%[1一万考爵]+(y 一口‰]。去

万方数据