半导体温度传感器及其芯片集成技术_图文.
传感器原理半导体式课件
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
第3章半导体温度传感器基础
第3章半导体温度传感器基础
25
与被保护器件紧密安装在一起，使它们有充分的热交换。 下图为用PTC热敏电阻对马达、大功率晶体管以及变压器 进行过热保护的电原理图。
第3章半导体温度传感器基础
26
４.电流—时间特性的应用
• （１）自动消磁电路 • 自动消磁电路是指自动消除彩色电视机
显象管内阴罩上之剩余磁场，以保证色 彩纯正的电路。消磁原理是消磁线圈与 热敏
第3章半导体温度传感器基础
空气中测得 的热敏电阻 的零功率电 阻值与其温 度之间的依 赖关系。PTC、 NTC、及CTR 热敏电阻的 典型电阻— 温度特性如 上图所示。
6
三、电阻—温度系数（T ）
电阻—温度系数是在规定温度下，热敏电阻的 零功率电阻值的相对变化率与产生这种变化的温度 增量之比，即
T
即
T
T
0.632 T T 第3章半导体温度传感器基础 0
12
时间常数的物理意义
• 热敏电阻在零功率状态下，当环境温度从一 个特定值相另一个特定值变化时，电阻体温 度变化了这两个特定温度之差的63.2%所用的 时间。
T T 0.632T T0
第3章半导体温度传感器基础
13
九、静态伏—安特性
第3章半导体温度传感器基础
27
电阻串联于开机瞬间在显象管周围产生一强 大的交变衰减电场，达到消磁的目的，其原 理图如右图所示，图中L为消磁线圈。
（２）马达启动
空调机、电冰箱、电风扇微风档等设备
中的电机启动时，需要较大的启动功率，而
当电机启动运转时，所需功率大幅度减小。
为此这类单相电机常装有附加启动绕组。该
是指在25度静止空气中热敏电阻在建立了热 平衡以后，加在其两端的电压与稳定电流之间的关 系。不同类型的热敏电阻具有不同的静态伏—安特 性。
《半导体传感器》PPT课件
10.3 色敏传感器
10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极
二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构 原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传 感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机 理。
图10-9 半导体色敏传感器结构
30
10.3 色敏传感器
7
10.1 半导体气敏传感器
10.1.2 气敏传感器的种类
◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。
1. 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在
金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧
结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结
型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~
300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，
9
10.1 半导体气敏传感器
◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度。
第10章 半导体传感器
1 10.1 半导体气敏传感器 2 10.2 湿敏传感器 3 10.3 色敏传感器 4 10.4 半导体式传感器的应用
1
10.1 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成 分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用 最多的是半导体气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、 石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的 监测、预报和自动控制。
44半导体集成温度传感器精品PPT课件
线性特性，对曲线分段校正，
T
线性双积分A/D转换的基本公
测 量
式为：
值
0
80ºC
TC标准值
测量误差曲线
100ºC
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问 题。
DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连 接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为 微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的 器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载 能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线 总线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。
４ DS1820温度检测系统原理
由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂 接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连 接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了 广泛应用。
89C51
P1.0
Tx P1.1
《半导体传感器》课件
开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
THANKS
感谢观看
气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
半导体温度传感器课件
输出信号处理电路的设计也是半 导体温度传感器性能的关键因素
之一。
03
半导体温度传感器的应 用
CHAPTER
工业测温
总结词 详细描述
医疗设备
总结词
详细描述
汽车电子
总结词
汽车电子系统中的半导体温度传感器主要用于发动机、空调等系统的温度监测和 控制，提高汽车的安全性和舒适性。
详细描述
殊需求。
智能化与网络化
结合物联网和人工智能技术，半 导体温度传感器可以实现远程监 控、实时数据处理和智能诊断等 功能，提升传感器应用的智能化
水平。
高精度与高可靠性
随着工业自动化和智能制造的快 速发展，对半导体温度传感器的 测量精度和可靠性提出了更高的 要求，促使传感器不断优化设计、
提升性能。
技术挑战与机遇
随着汽车电子技术的不断发展，温度传感器在汽车中的应用越来越广泛。半导体 温度传感器能够实时监测发动机、刹车系统、空调等关键部位的温度，并通过控 制系统调节温度，确保汽车的安全运行和舒适度。
智能家居
总结词 详细描述
04
半导体温度传感器的技 术发 展
CHAPTER
材料技 术
材料纯度提升 新材料研发
市场前景
应用领域不断拓展
市场规模持续增长
THANKS
感谢观看
选型原则
量程范围
选择能够测量所需温度 范围的传感器，确保传 感器不会过载或测量不
准确。
精度要求
根据测量需求选择具有 适当精度的传感器，以 确保测量结果的可靠性。
稳定性
尺寸与安装方式
选择经过稳定处理的传 感器，以确保长期测量
的准确性。
根据安装空间和要求选 择适合的尺寸和安装方 式，以便于安装和固定。
半导体传感器2014-3
§3.2
半导体电阻式温度传感器
电阻式温度传感器主要包括热电阻（金属， 如铂、铜电阻温度计等）和半导体热敏电阻。半 导体热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不 断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（200～＋880℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度 传感器。
一、半导体热敏电阻的结构
热敏电阻结构通常采用金属氧化物材料利用 特殊的陶瓷工艺，制成烧结体，外形及结构如图 3.1所示。
C H
⑹ 最高工作温度Tmax 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允 许的最高温度：
Tmax T0 PE H
⒊CTR热敏电阻(Critical Temperature Resistor)
CTR热敏电阻可以看做是NTC的特例，可用V、 Ba、Sr、P等氧化物混合烧结制成。该类电阻器的 电阻值在某特定温度处随温度升高而急剧降低3～4 个数量级，即具有很大负温度系数，这个急剧变化 的温度我们称为骤变温度。CTR热敏电阻也可作为 温度开关使用。
图3.7 PTC热敏电阻器的静态伏安特性
⑵正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性 曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在 环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电 流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘 故，符合欧姆定律如oa段。当电压升高使热敏电阻 器温度超过环境温度时，由于PTC效应材料电阻值 逐渐增大，曲线开始弯曲斜率增大，如ab段。 105 当电压增至Um时，电 104 流达最大值Im；电压继 103 续增加，由于温升引起 c 102 电阻值增加的速度超过 101 电压增加的速度，电流 b I Um a m 反而减小，即曲线斜率 o 10-1 100 101 102 103 由正变负，如bc段。
第06讲集成温度传感器
ln
I1 I S 11
6
现上面式中
代 传
UEB9(UEB11) ——管发射结压降； K —— 波尔兹曼常数；
感 器
q —— 电子电荷量；
与
T —— 绝对温度;
检 测
IS9(IS11) ——管发射结反响饱和电流
技
术
I1
kT qR6
ln
IS9 I S 11
kT qR6
ln 8
IS 9 8IS11
I0
现 代 传 感 器 与 检 测 技 术
21
When negative power supply is used.
现 代 传 感 器 与 检 测 技 术
22
When output polarity is inverted
现 代 传 感 器 与 检 测 技 术
23
三、集成温控开关——AD22105
代 传
是利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值VBE 与热
感 力学温度 T 和通过发射极电流I的下述关系实现对
器 与
温度的检测
检 测 技
▪ 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵 敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应
术 用。
3
现 ▪集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流
代 传
输出两种。
感 器
第六讲 集成温度传感器
AD590 AN6701S AD22105 DS1820
现代传感器与检测技术
目录
现 代 传 感 器 与 检 测 技 术
•电流输出型 AD590 •电压输出型 AN6701S •集成温控开关 AD22105 •数字温度计 DS1820
2
现 ▪ 集成温度传感器是一种半导体集成电路，它
半导体敏感元件热敏元件与温度传感器
电动势
• 接触电势（珀尔贴电势）
不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势
• 温差电势（汤姆逊电势）
EAB(T)
k TlnNA q NB
同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→ 低） →电势
T
EA(T,T0) AdT σA-汤姆逊系数
T0
2.热电偶
2.1 工作原理
E A ( T ， B T 0 ) e A ( T ) B e B ( T ， T 0 ) e B ( T 0 ) A e A ( T 0 ， T )
7 IC温度传感器
电压型集成温度传感器
• 电压型PTAT集成温度传感器 输出电压正比于绝对温度的集成温度传感器。
电路分析：
输出电压：
IR1
KT qR1
ln
V0
R2 R1
KTln
q
• 具有内部参考电压的温度传感器
特点： “失调电压”小，标定简单，使用方便， 电路需要校准，成本高。
Vcc
T4
T3
T5
T2
lnRT BNT1T10lnRT0
104
• 导电机理
电 103 阻 /Ω
102
120 100
85
70
50
30 10
T/ºC
0 -10
NTC热敏电阻器的电阻--温度曲线
4 半导体陶瓷热敏电阻
B 正温度系数热敏电阻(PTC)
• 实验公式
R T R T 0ex B P p T T 0 ln R T B P T T 0 ln R T 0
B 杂质半导体 载流子产生
杂质电离 本征激发
散射结构
电离杂质散射 晶格散射
硅电阻率与温度关系示意图
现代检测技术 半导体式传感器-PPT精品文档
10.1.3基本误差及其补偿
如果确知控制电流极偏离等位面的方向，就可以 采用补偿的方法来减小不等位电势。常用的几种补偿 电路如图
10.1.3基本误差及其补偿
②寄生直流电动势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触， 在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效 应。因此。当元件通以交流控制电流 (不加磁场)时， 它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电 动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。寄生 直流电动势与工作电流有关，随工作电流减小而减 小。
第10章 半导体传感器
虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感 器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断 发展，半导体传感器的技术也日臻完善。 从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传 感器都属于半导体式传感器，如霍尔元件、光敏、磁敏、 二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气 敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。
10.1霍尔式传感器
10.1.1霍尔效应
半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在 薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么， 在垂直于电流和磁场方向上(即霍尔输出端之间)将产 生电动势(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为 霍尔效应。
10.1霍尔式传感器
图10-1 霍尔效应原理图
10.1 霍尔效应原理图
10.1霍尔式传感器
在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场，相 应的电动势就称为霍尔电势，其大小可用下式表示：
U bE H H
10.1霍尔式传感器
流过基片的电流常称为激励电流或控制电流， 假设它分布均匀，则有 I nqvbd
将上述公式进行合并整理得
RH IB UH d
10.1霍尔式传感器
6-4 半导体温度传感器
三、集成温度传感器
DS18B20的主要特性： (5)测温范围为－55℃～＋125℃，在－10℃～+85℃时 精度为±0.5℃； (6)可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别 为0.5℃、0.25℃、0.125℃ 和0.0625℃，可实现高精度 测温；
三、集成温度传感器
DS18B20的主要特性： (7)在9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数 字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度值转换为数字， 速度更快； (8)测量结果直接输出数字 温度信号，以“一线总线” 串行传送给CPU，同时可传 送CRC校验码，具有极强的 抗干扰纠错能力；
三、集成温度传感器
DS18B20的主要特性： (1)适应电压范围为3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由 数据线供电； (2)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时， 仅需要一条口线即可实现 微处理器与DS18B20的双向 通信；
三、集成温度传感器
DS18B20的主要特性： (3)DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并 联在唯一的三线上，实现组网多点测温； (4)DS18B20在使用中，不需要任何外围元件，全部传感 元件及转换电路集成在形如 一只三极管的集成电路内；
三、集成温度传感器
集成温度传感器具有体积小、线性好、反应灵敏等优点， 应用十分广泛。通常测量150℃以下的温度。
集成温度传感器可以分为模拟型温度传感器和数字型集 成温度传感器。
1.模拟型集成温度传感器 模拟型集成温度传感器具有灵敏度高、线性度好、响应 速度快等优点，并且一般都集成了驱动电路、信号处理电路 等，具有体积小、使用方便、外接电路简单等优点。
二、PN结温度传感器
PN结型热敏器件特点如下： 1.它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。 2.线性较好且价格低廉，在不少仪表里用来进行温度补偿。 3.特别适合对电子仪器或家用电器进行过热保护，也常用于 简单的温度显示和控制。 4.分立元件型PN结温度传感器也存在互换性和稳定性不够理 想的缺点，集成化PN结温度传感器则把感温部分、放大部分和 补偿部分分封装在同一管壳内，性能比较一致，而且使用方便。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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—02Semiconductor Temperature Sensor and its SoC TedmologyLIN Fan,、vU Sum-tao,GUO Dong-hui(Xiamen University,Xiamen 361005,ChinaAbstract: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 800dsensitivity,lineatrity,low power consumption,etc.Introducing the basic desi伊principles of semiconductortemt℃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.KeyWords: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‰]。
去万方数据圣堡壅垫壅量垡亟墨婴生. 曲2臻 7一口.,VF订而+下叫% ., ., 砜.,C1EA。
%、”吒2”岛一了moF硒:,一 -0~~—。
式中:%是%时的带隙电压;T是绝对温度;,=4一m,m是有效迁移率指数(空穴m=2.2,电子m=2.42;¨=KT/q; k是%温度下的基极一发射极电压;A。
是基极一发射极面积;%是基极宽度;ⅣDb是基区掺杂浓度;CTE是与温度无关的常数;,。
是在温度为%时的集电极电流。
式(3中,%。
主要由温度为%时的带隙电压k和来自带隙电位公式的a、b物理常数所决定,与晶体管尺寸无关,也基本上与工艺参数无关(只有迁移率温度指数y因基极注入浓度而稍有变化。
斜率值ST不能精确估值,主要是受到l,k 的影响。
‰受工艺参数容差的影响,但这只是影响到斜率值 .sT,没有改变初始值y妇和二次非线性项系数Qr.所以工艺制造过程参数的改变不会影响线性度,并且斜率s,的调整可通过修改晶体管几何尺寸以及集成电极偏置电流密度来完成。
QT主要是由一些物理常量所决定,在它的影响下,‰温度曲线在高温和低温处会略向下弯曲。
影响并不大,但为有更好的线性度,也可以采用二次非线性项补偿的方法对其进行补偿。
因此在不考虑二次非线性项时,通过‰与温度r之间的线性关系可以实现温度的测量。
2.2a帕S工艺下的温度传感原理对于CMOS温度传感器的设计,依据不同的传感原理,人们也提出了不同的设计方法[2-5]:利用MOS晶体管在弱反型区的电性质原理;MOS晶体管阈值电压b和增效因子卢的温度性质;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CMOS 温度传感器的设计是利用CMOS工艺中的寄生双极晶体管作为温度敏感元,从而达到与双极晶体管接近的温度性能。
采用的结构有CMOS纵向双极晶体管 (CVBT和CMOS横向双极晶体管(cIJI玎,如图1所示。
横向晶体管(ogr的剖面图其中,CMOS纵向双极晶体管(彻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。
如Penijs与Bakker用0.7tunCMOS工艺实现的该类型传感器,经二次非线性补偿后在一50—120oC的温度范围内,3盯精确度为±1.5℃,芯片面积为2.8Ⅱ击(包含 AD转换和数字接口Mj。
而CMOS横向寄生双极晶体管(CLWr,是以MOSFET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。
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。
Bianchi等设计的这种类型传感器,经二次非线性项补偿后,在一50—150℃的温度范围内的均方根误差小于0.25℃,功耗低于0.55n1W[1|。
这样,在CMOS工艺中采用r这种比较简单的方法也实现了近似双极晶体温度性能的结构,实现了线性的温度测量。
2.3一种㈣S型集成温度电路的设计利用式(1的k表达式,将两个不同电流密度的匹配晶体管的叱求差值,△‰=‰一k,即为正比于绝对温度 (PrAT的电压信号:F个 ,已,‘‰=‰一‰=等h(芹=spt日lT (4‘q 。
c21’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‰。
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 PN结的初始正向电压、物理尺寸、泄漏和其他特性无关。
无论是FIAT温度信号还是发射结电压温度信号都只能在0K时实现零信号输出,若将两者结合则可以在温度接近所测温度范围的初始值%时把输出的信号定为0,而不是一定要在0K时,从而简化芯上A/D转换器的设计。
如图2,ybe与温度成线性反比关系,而y。
是与绝对温度成线性正比相关。
若把放大。
倍的‰信q--q k信号相减,便可得到具有更好的温度灵敏度的K温度信号,其斜率为‰和yk两者斜率之和,同时可以使得K信号在测温范围的初始值兄处为0。
一扩 //已 H的 //K。
aKut—kt /图2由ybe、y。
相加减构成的温度传感信号11,和带隙基准电压I,一集成数字温度传感器由于在集成系统中增加了模数转换器,所以其芯上的内部基准电源是一个重要的输出,稳定性和精确度直接影响到温度传感器的性能。
在图2中,参考电压 %的产生是通过把放大口倍的ypt砒和ybet相加,正负温度系数互相补偿,于是输出基准电压%的温度系数接近为0,以获得低温度系数的基准电压源。
图3设计的一种基于电流模式的CMOS带隙温度传感器电路。
图3左边部分是PrAT电路,Ql和Q是两个匹配的 CMOS横向双极晶体管,Q1的发射区面积是Q2的r倍,Ml和坞构成一对MOS镜像电流源,且(耽/L2/(WI儿1=P.根据镜像电流源原理,Q1和Q2的集电极电流比为:,q/I。