[發(fā)明專利]片上溫度傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210552748.3
• 申請日: 2012-12-18
• 公開（公告）號: CN103063317A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 皮常明;張遠(yuǎn);范紅梅
• 申請（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司
• 主分類號: G01K7/00
• 分類號: G01K7/00
• 代理公司: 上海天辰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;林彥之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及片上溫度傳感器技術(shù)。?

背景技術(shù)

在現(xiàn)代生活中，溫度信息的檢測和監(jiān)控一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其在食品、醫(yī)療、衛(wèi)生等與日常生活息息相關(guān)的領(lǐng)域更是必不可少。因此，檢測和控制溫度的芯片及產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用，作為核心技術(shù)的溫度傳感器產(chǎn)品同樣種類繁多。如用于片外溫度檢測的熱電偶、采用三極管的PN結(jié)溫度特性實現(xiàn)溫度檢測的片上溫度傳感器等。

與片上溫度傳感器相比，片外溫度傳感器具有更高的精度和準(zhǔn)確性，然而，由于處于片外，其占用面積大，在集成度不斷提高的發(fā)展趨勢下，越來越成為溫度傳感器的發(fā)展瓶頸。此外，由于芯片在工作狀態(tài)下，內(nèi)外部溫差較大，諸如熱電偶這樣的片外溫度傳感器是無法滿足芯片內(nèi)部溫度檢測需求的。在這種情況下，可實時監(jiān)測芯片溫度的片上溫度傳感器逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。然而，由于大多溫度傳感器均采用PN結(jié)溫度特性來實現(xiàn)檢測，且PN結(jié)溫度特性受工藝、電壓等影響較大，對于一般半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，片上溫度傳感器的精度，尤其是不同芯片的片上溫度傳感器之間的精度差別較大。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中片上溫度傳感器電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中，片上溫度傳感器包括若干場效應(yīng)晶體管M101~M112、雙極晶體管Q101~Q103以及運(yùn)算放大器I101、電阻R101、R102，其中，場效應(yīng)晶體管M101~M112的特征參數(shù)是完全相同的，假設(shè)運(yùn)算放大器I101沒有失調(diào)電壓V_OS，且雙極晶體管Q101~Q103和場效應(yīng)晶體管M101~M112是完全匹配的，則該片上溫度傳感器中各路電流均相同，且在運(yùn)算放大器I101的作用下，其兩輸入端VN和VP的電壓也相同，根據(jù)雙極晶體管的基本電壓電流公式可得：雙極晶體管Q101發(fā)射結(jié)電壓：????????????????????????????????????????????????，雙極晶體管Q102發(fā)射結(jié)電壓：，其中，I_PTAT為場效應(yīng)晶體管組成的電流鏡產(chǎn)生的與溫度呈比例變化的PTAT輸出電流，V_T為閾值電壓，且，I₀為雙極晶體管飽和電流，且，μ為電子遷移率，n_i為本征載流子濃度，k為波爾茲曼常熟，T為熱力學(xué)溫度。從而可進(jìn)一步得到雙極晶體管Q101、Q102的發(fā)射結(jié)電壓差：，而V_be的電壓落在電阻R101上，則,?相應(yīng)的，輸出電壓，進(jìn)一步的，，其中，k₁與成正相關(guān)關(guān)系，且與溫度的關(guān)系較小。由此可知，片上溫度傳感器的輸出電壓與溫度成線性關(guān)系。

而在一般的片上溫度傳感器中，均采用更加適合IC發(fā)展趨勢的CMOS工藝實現(xiàn)。但在CMOS工藝中，無論是場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管等有源器件還是電阻電容等無源器件，均存在一定的不匹配，這些不匹配是造成不同芯片的片上溫度傳感器之間輸出差別的重要原因。如圖1所示，在芯片的實際工作狀態(tài)下，考慮運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓V_OS以及場效應(yīng)晶體管M101~M112和雙極晶體管Q101~Q103不匹配的情況下，片上溫度傳感器的輸出電壓，其中k₂與成正相關(guān)關(guān)系，是由于場效應(yīng)晶體管M101~M112的不匹配引起的電流誤差。所以可以看出，在存在運(yùn)算放大器失調(diào)、場效應(yīng)晶體管以及雙極晶體管不匹配的情況下，片上溫度傳感器輸出電壓與溫度的關(guān)系會受到很大的影響。而由于工藝的影響，不同芯片之間的失調(diào)電壓和場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管的失配參數(shù)都存在差別，從而造成不同芯片間片上溫度傳感器的輸出電壓存在較大差別。

為了消除該輸出差別，現(xiàn)有技術(shù)中多采用電阻微調(diào)（trim）的方法，在一定溫度下，通過調(diào)節(jié)控制芯片輸出的可調(diào)電阻，以使不同的芯片在該溫度下得到一致的輸出結(jié)果，從而避免器件的不匹配造成的不同片上溫度傳感器精度差別。但是，一旦芯片溫度發(fā)生變化，那么在原設(shè)定溫度下一致的輸出結(jié)果，在新的溫度下仍可能出現(xiàn)較大差別，甚至產(chǎn)生比沒有電阻微調(diào)下還要大的精度偏差。

此外，采用電阻微調(diào)技術(shù)需要較多的控制位來控制電阻大小，若將控制位都引至片外，會大大增加封裝成本。同時，過多控制位的引入，對于高精度的電路設(shè)計而言，無疑將引入更多噪聲，進(jìn)一步影響了片上溫度傳感器以及整體電路的精度。

隨著CMOS工藝的不斷發(fā)展以及半導(dǎo)體器件集成度的不斷提高，如何消除工藝影響、提供具有一致性輸出結(jié)果的高精度片上溫度傳感器，成為集成電路進(jìn)一步發(fā)展急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)是，提供一片上溫度傳感器，能夠消除工藝影響，在不同芯片上具有一致性的輸出結(jié)果。