[發(fā)明專(zhuān)利]低電壓低功耗CMOS溫度傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110141653.8
• 申請(qǐng)日: 2011-05-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102338669A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅文基;阿明·貝爾馬克;梁錦和
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 香港科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01K7/01
• 分類(lèi)號(hào): G01K7/01
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 陳源;張?zhí)焓?/td>

本專(zhuān)利申請(qǐng)要求于2010年5月27日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/344,123號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容以引文方式整體并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低電壓低功耗CMOS溫度傳感器。

背景技術(shù)

與傳統(tǒng)需要片外分立元件的溫度傳感器不同，片上CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)溫度傳感器具有制造成本低，與其他電子電路接口簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。面積小、功耗低的片上CMOS溫度傳感器通常用在熱管理系統(tǒng)中，以監(jiān)測(cè)溫度變化時(shí)系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。

隨著大規(guī)模集成電路(VLSI)的集成度提高，芯片發(fā)熱越來(lái)越嚴(yán)重，嵌入式溫度傳感器則被普遍用來(lái)監(jiān)測(cè)片上散熱狀況。同時(shí)，RFID(射頻識(shí)別)和WSN(無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò))也為嵌入式溫度傳感器用于無(wú)線監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展提供了更多的空間。在這些應(yīng)用中，相比于感應(yīng)精度和傳感范圍，功耗則是最主要的考慮因素，特別是對(duì)無(wú)源RFID標(biāo)簽而言。這是因?yàn)闊o(wú)源RFID標(biāo)簽靠轉(zhuǎn)化輸入的RF信號(hào)的能量工作，由于可利用的能量有限，通常整個(gè)RFID標(biāo)簽的電流量只有幾微安。因此，增加嵌入式傳感器的同時(shí)也增加了標(biāo)簽的負(fù)荷，造成標(biāo)簽作用距離減小。

傳統(tǒng)的片上溫度傳感器大都采用BJT器件作為感應(yīng)元件，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(ADC)產(chǎn)生最后的數(shù)字信號(hào)。這類(lèi)傳感器有較好的傳感精度，但是電路復(fù)雜、芯片面積較大，且功耗通常在微瓦級(jí)別，因此不適合應(yīng)用在無(wú)源RFID標(biāo)簽中。

也有設(shè)計(jì)用反相器鏈產(chǎn)生的信號(hào)延遲作為溫度信號(hào)，然后用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(TDC)得到經(jīng)溫度調(diào)制的脈沖信號(hào)。這種時(shí)域溫度傳感器雖然感應(yīng)精度下降，但其功耗和芯片面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)ADC的溫度傳感器。

近來(lái)，有很多具有嵌入式溫度傳感器的低功耗無(wú)源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)。比如K.Opasjumruskit?et?al“Self-powered?Wireless?Temperature?Sensor?Exploit?RFID?Technology，”IEEE?Pervasive?Computing，vol.5，issue?1，pp.54-61，Jan.-Mar.2006，該設(shè)計(jì)采用了基于BJT結(jié)構(gòu)的片上溫度傳感器，并利用Δ∑進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。這種標(biāo)簽在讀取和溫度測(cè)量時(shí)的功耗分別為2.4微瓦和12微瓦(假設(shè)供電電壓為1.2V)。傳感器在40℃下進(jìn)行溫度校正后，從0℃到100℃的感應(yīng)精度為-1.8℃/+2.2℃。該設(shè)計(jì)的溫度傳感器功耗遠(yuǎn)大于標(biāo)簽其他模塊的功耗，令溫度傳感器的嵌入影響標(biāo)簽的正常工作。

在N.Cho?et?al，“A?5.1uW?UHF?RFID?Tag?Chip?integrated?with?Sensors?for?Wireless?Environmental?Monitoring，”European?Solid-State?Circuits?Conference，pp.279-282，Sept.2005，該設(shè)計(jì)采用一個(gè)基準(zhǔn)電流將積分電容充電直至溫度相關(guān)的二極管電壓V_BE電壓，以此來(lái)測(cè)量溫度，然后采用一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行數(shù)字化。該溫度傳感器總功耗為1.6微瓦；分辨率為0.8℃；從-10?℃到80℃溫度范圍內(nèi)的感應(yīng)精度為±2.4℃。該溫度傳感器的功耗只有1.6微瓦，但相比于標(biāo)簽5.1微瓦的總功耗，傳感器的功耗占整個(gè)標(biāo)簽功耗的比重仍太大。

在Y.Lin?et?al.，“An?Ultra?Low?Power?1V，220nW?Temperature?Sensor?for?Passive?Wireless?Applications，”IEEE?Custom?Integrated?Circuits?Conference，pp.507-510，Sept.2008，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)只有220納瓦的獨(dú)立工作的溫度傳感器。該設(shè)計(jì)中，Y.Lin將與溫度有關(guān)的電流信號(hào)和基準(zhǔn)電流信號(hào)均轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)。從0℃到100℃實(shí)現(xiàn)了-1.6/+3℃的傳感精度，其芯片面積為0.05mm²。盡管該設(shè)計(jì)只有亞微瓦的功耗，溫度傳感器正常工作所需電壓仍高達(dá)1V。