[發明專利]一種集成溫度傳感器

有效

• 申請號: 201610340822.3
• 申請日: 2016-05-19
• 公開（公告）號: CN105784156B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 徐振濤;郭睿;王俊杰;劉洋;寧寧;于奇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01K7/00
• 分類號: G01K7/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 張楊

本發明涉及集成電路和傳感器領域，具體涉及一種集成溫度傳感器。包括TCO，片上參考時鐘電路以及FDC。本發明利用片上振蕩器電路來為集成溫度傳感器提供時鐘信號，以解決現有的集成溫度傳感器均需求片外時鐘源而導致的無法全片上集成的問題，從而降低了集成溫度傳感器的使用成本。針對電源電壓和集成電路制作工藝對片上振蕩器的影響，本發明提出采用相同結構的振蕩器來實現集成溫度傳感器中的片上時鐘源電路以及AFC，從而利用頻率相比的方法來改善集成溫度傳感器對抗電源電壓以及工藝變化的能力。本發明不僅拓展了集成溫度傳感器的應用范圍，還提高了集成溫度傳感器芯片制作的成品率，為進一步降低其使用成本奠定基礎。

技術領域

本發明涉及集成電路和傳感器領域，具體涉及一種集成溫度傳感器，可實現溫度傳感器全片上集成且增強其抵抗電源電壓和工藝變化的能力。

背景技術

隨著人類探索領域的拓展，探測儀器經常會工作于較為嚴苛的溫度環境中。如何保證探測儀器可靠的工作是人們重點關心的問題之一。另外，隨著人們生活水平的提高，健康成為了人們日益關注的話題。作為檢測身體狀況是否正常的一項基本指標，體溫的實時監測倍受人們重視。這些問題的解決都需依賴溫度傳感器這一重要部件。然而，隨著器件小型化，便攜化以及低成本需求的不斷增長，使得由基于特殊材料或者薄膜制備而成的分立式溫度傳感器的應用受到了較大限制。為了應對上述問題，集成溫度傳感器孕育而生，并且因其良好的可植入性而迅速受到了人們的青睞。

在2005年以前，集成溫度傳感器均以電壓域的工作原理研發制作而成，其具有較高的精度和較小的測量誤差。由于模擬-數字信號轉換器(Analog-to-digital converter，ADC)是該溫度傳感器系統的核心部件之一，如圖1所示，從而該類集成溫度傳感器的設計難度較大，使用成本較高。在2005年，一種新工作模式的集成溫度傳感器被開發出來，其主要依靠量化與溫度相關的延遲時間來獲得溫度信息，稱之為時域集成溫度傳感器，如圖2所示。該類集成溫度傳感器采用時間-數字信號轉換器(Time-to-digital converter，TDC)來作為數字輸出碼的轉換器，使溫度傳感器得以全數字集成成為了可能，有效地降低了集成溫度傳感器的難度和成本。然而，作為溫度感應電路的延遲單元不僅對電源電壓以及工藝變化敏感，其延遲時間對溫度變化的非線性還會引起較大的溫度測量誤差，從而該類集成溫度傳感器的應用在需求較高精度和較低測量誤差的場合受到了制約。此外，目前上述任一類型的集成溫度傳感器都需要使用片外時鐘源來為其提供所需的時鐘信號，因此，不僅降低了集成溫度傳感器的便攜性，還增加了其使用成本。

發明內容

針對上述已有集成溫度傳感器存在的問題或不足，本發明提供了一種集成溫度傳感器，用于實現對溫度傳感器進行全片上集成，且提高其抵抗電源電壓以及工藝變化的能力。

該集成溫度傳感器，如圖4所示，包括溫度控制振蕩器(Temperature ControlledOscillator，TCO)，片上參考時鐘電路以及頻率-數字信號轉換器(Frequency-to-digitalconverter，FDC)。

所述TCO是由溫度感應電路以及模擬-頻率信號轉換器(Analog-to-frequency，AFC)組成。

溫度感應電路，用于感應待測對象溫度并將其轉換為電信號即電壓或電流信號進行輸出，輸出的電信號為一個不隨溫度變化和一個隨溫度變化的模擬信號；不隨溫度變化的REF模擬信號輸出至片上參考時鐘電路；隨溫度變化的模擬信號是一個與絕對溫度成正相關PTAT或與絕對溫度成負相關CTAT的模擬信號，并輸出至AFC中；

AFC由一個片上振蕩器構成，其輸出頻率能夠通過偏置信號進行調整，且振蕩器中控制振蕩頻率高低的偏置信號采用溫度感電路輸出的PTAT或CTAT信號，并將偏置信號轉換為頻率信號；AFC輸出一個表征待測對象溫度的頻率信號至FDC的計數器。