與傳統(tǒng)傳感器相比，集成電路(IC)溫度傳感器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、精確度高、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)、通信、電信及工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，可以將溫度傳感器直接嵌入到功率集成電路的熱源中去探測(cè)溫度，精準(zhǔn)地控制功率管的溫度，從而提高智能功率集成電路芯片的可靠性。
由于CMOS工藝具有集成度高、成本低、功耗低、與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字工藝兼容以及芯片面積小等優(yōu)點(diǎn)，可以集成更多的信號(hào)感知、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、處理和控制等功能，已成為智能溫度傳感器的主流工藝技術(shù)。采用0.16μm CMOS工藝制作的傳感器在-55℃~125攝氏度溫度范圍內(nèi)的測(cè)溫誤差達(dá)到±0.15℃；有文獻(xiàn)報(bào)道，在軍用溫度范圍內(nèi)的測(cè)溫誤差達(dá)到±0.1℃。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Marketstand Markets的分析報(bào)告，CMOS溫度傳感器2013-2020年市場(chǎng)占有額年均增長(zhǎng)46.16%，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到9.6億美元。CMOS工藝的應(yīng)用使得傳感器智能化加速發(fā)展，片上智能CMOS溫度傳感器在現(xiàn)代熱管理系統(tǒng)中已被廣泛采用。
本文概述了IC溫度傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀，在分析IC溫度傳感器原理的基礎(chǔ)上提出了設(shè)計(jì)控制、工藝控制、應(yīng)力控制等幾種精度控制要素，從原理、設(shè)計(jì)、工藝、應(yīng)用等方面對(duì)IC溫度傳感器進(jìn)行了探討。
1、IC溫度傳感器技術(shù)采用
CMOS工藝設(shè)計(jì)并制作IC溫度傳感器有多種方法，通常歸納為4類：①BJT基溫度傳感器；②MOSFET基溫度傳感器；③環(huán)振蕩器基溫度傳感器；④傳播線基溫度傳感器。在這些方法中，熱二極管、熱晶體管(基極連接在一起可構(gòu)成二極管)可以作為敏感元件。在CMOS工藝中，可采用寄生雙極晶體管作為溫度敏感元件，將BiCMOS或BCD等先進(jìn)CMOS工藝中包含的雙極晶體管結(jié)構(gòu)加以利用。采用BiCMOS工藝制造的集成溫度傳感器將雙極晶體管作為溫度傳感器的感溫元件，具有受工藝波動(dòng)的影響小、與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字工藝兼容、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
SOI CMOS微熱板等高溫測(cè)溫技術(shù)也在探索中。受到熱敏二極管可用溫度范圍的限制，采用體硅工藝制作的傳感器的測(cè)溫范圍被限制在-55~150℃的范圍內(nèi)。若采用SOI工藝，測(cè)溫范圍可擴(kuò)大到－-55~200 ℃。比利時(shí)Catholic University of Louvain大學(xué)微電子實(shí)驗(yàn)室使用SOI工藝技術(shù)(FD SOI工藝的SOI橫向PIN晶體管)，大大擴(kuò)展了溫度范圍，設(shè)計(jì)出的傳感器工作溫度為25-250℃，精度為3℃，分辨率為0.8℃，僅需2個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。在新加坡科學(xué)工程研究委員會(huì)的項(xiàng)目中，技術(shù)人員研究出一種工作溫度高達(dá)250℃的智能溫度傳感器前端。
1.1 熱二極管
熱二極管傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能與IC工藝兼容，且成本較低。當(dāng)二極管由一恒定正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，其正向偏置電壓隨著溫度的升高而線性降低，這一性質(zhì)被用于制作IC溫度傳感器。若要進(jìn)一步增加靈敏度，可以采用2個(gè)或多個(gè)二極管串聯(lián)的方式，典型的可用溫度范圍是-100~250℃。
1.2 熱晶體管
在集成電路中，熱二極管實(shí)際由基極連在一起的雙極晶體管構(gòu)成。普通二極管作為溫度傳感器，雖然制作工藝簡(jiǎn)單，但其線性度差。因此，將NPN晶體管的BC結(jié)短接，在基極和射極擴(kuò)散區(qū)形成唯一有源結(jié)，利用BC結(jié)作為感溫元件，即通常的2個(gè)三極管形式。若先對(duì)三極管的兩端加上高正向偏置電流，再加上低的正向偏置電流，讓這2個(gè)電壓的電壓差ΔVBE僅僅取決于這2個(gè)電流的比值，使其接近理想的PN結(jié)，其線性度接近理論推導(dǎo)值，從而獲得較高的溫度檢測(cè)精度。
1.3 遙感傳感
將1個(gè)遙感熱二極管(或者熱晶體管)安裝于封裝之內(nèi)或安裝在發(fā)熱系統(tǒng)同一芯片上，傳感器的其他部分不與系統(tǒng)直接接觸，可通過遙感進(jìn)行控制。傳感器還包括A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯電路以及讀出電路，可向微控制器發(fā)送優(yōu)化系統(tǒng)所需的電熱信號(hào)。
1.4 帶隙基準(zhǔn)
帶隙基準(zhǔn)電路是先進(jìn)IC溫度傳感器的基本單元，用于產(chǎn)生獨(dú)立于溫度的基準(zhǔn)電壓VREF。帶隙電路提供的基準(zhǔn)電壓等于硅在零溫度時(shí)帶隙電壓的外推值1.205V。Widlar單元作為與溫度無關(guān)的輸出基準(zhǔn)電壓源，如圖1所示，可將帶隙電壓電路轉(zhuǎn)化為電壓正比于絕對(duì)溫度（VPTAT）的傳感器。觀察電阻R2兩端的電壓降，它正比于絕對(duì)溫度并且被R2/R3放大。而電流正比于絕對(duì)溫度（IPTAT），視為恒流發(fā)生器，與絕對(duì)溫度呈線性變化。一般地，VPTAT增益為6-20mV/℃的模擬傳感器以及IPTAT增益為1-10μA/℃的模擬溫度傳感器，其精度的變化范圍約為0.5%-2%。
圖1 Widlar單元作為與溫度無關(guān)的輸出基準(zhǔn)電壓源
1.5 CMOS傳感器
1.5.1 敏感器件
大多數(shù)CMOS(如BiCMOS和BCD)傳感器利用了雙極晶體管的特性?；镜?、精度最高的CMOS溫度傳感器是硅PN結(jié)二極管（即熱二極管）。硅雙極結(jié)型晶體管工作于二極管模式時(shí)，可作為溫度傳感器。標(biāo)準(zhǔn)CMOS傳感器工藝主要利用2種類型的寄生雙極晶體管作為感溫器件。
1.5.2 工作原理
CMOS智能溫度傳感器模擬前端的工作原理如圖2所示，其中，圖2(a)所示為2個(gè)以二極管形式連接的PNP(襯底、寄生、雙極)晶體管結(jié)構(gòu)，圖2(b)所示為CMOS溫度傳感器結(jié)構(gòu)。圖2中，2個(gè)相同晶體管的VBE差值表現(xiàn)為正溫度系數(shù)，與溫度或集電極電流的特性無關(guān)，即ΔVBE與絕對(duì)溫度成正比。如果工作在不相等的電流密度下，那么它們的射極-基極電壓用于產(chǎn)生電壓值，其電壓值正比于絕對(duì)溫度的數(shù)值VPTAT以及帶隙基準(zhǔn)電壓VREF，VPTAT與VREF二者之比就是溫度測(cè)量值。注意到圖2中的帶隙電壓隨溫度降低而下降的數(shù)值為2mV/K。因此需要加上α×ΔVBE以補(bǔ)償電壓降低值，使VREF保持恒定。
圖2 CMOS智能溫度傳感器工作原理
1.5.3 CMOS橫向雙極晶體管(CLBT)和CMOS縱向雙極晶體管(CVBT)
標(biāo)準(zhǔn)CMOS傳感器主要利用CLBT和CVBT這2種類型的寄生雙極晶體管作為感溫器件，CVBT和CLBT的剖面圖如圖3所示。CLBT是分別與NMOS管或PMOS管處于平行位置的橫向NPN或PNP晶體管，如果MOS管的柵極處于空置狀態(tài)，并且對(duì)雙極管基極-發(fā)射結(jié)進(jìn)行正向偏置，雙極晶體管就處于工作狀態(tài)。CVBT是P阱CMOS NPN或CMOS PNP的2中襯底寄生晶體管CVBT以源漏擴(kuò)散作為發(fā)射極，阱作為基區(qū)，襯底作為集電極，其性能與雙極晶體管較接近，缺點(diǎn)是集電極被固定在芯片的襯底，使用范圍受到限制。
圖3 CVBT和CLBT的剖面圖
CLBT以MOSFET的源-漏擴(kuò)散作為發(fā)射極和集電極，溝道作為基區(qū)，工序相對(duì)簡(jiǎn)單，且集電極不受限制。由于基區(qū)摻雜濃度偏差造成溝道載流子遷移率不均勻，以及側(cè)向擴(kuò)散導(dǎo)致基區(qū)發(fā)射極面積和基極寬帶無法精確控制，工藝精確控制困難，晶體管的電流增益一般小于5。
采用雙極晶體管制作的溫度傳感器存在如下缺陷：當(dāng)該結(jié)構(gòu)工作在AC電源下，因?yàn)橐r底漏電流的存在，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)幅度隨頻率變動(dòng)的現(xiàn)象?？赏ㄟ^采用具有N型埋層的CMOS偏置源來解決。
1.6 脈寬調(diào)制(PWM)傳感器
脈寬調(diào)制(PWM)溫度傳感器基于溫度占空比的輸出信號(hào)，可以通過VPTAT和頻率轉(zhuǎn)換器的電壓獲得。
2、CMOS傳感器精度控制
2.1 設(shè)計(jì)控制
CMOS智能溫度傳感器所能達(dá)到的精度通常由雙極晶體管的精度確定，因此，可以從模型、設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)、工藝等方面著手。
①用精密模擬IC設(shè)計(jì)保證只能有唯一主要誤差源VBE。電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證雙極晶體管偏置電流工作在最適宜精確感測(cè)溫度的區(qū)域；需要設(shè)計(jì)高精度A/D轉(zhuǎn)換器，以便準(zhǔn)確獲得基極-發(fā)射極電壓。
②開發(fā)出有效的校準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)因?yàn)閂BE而產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，這與生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)相關(guān)。智能傳感器的校準(zhǔn)可以在晶圓級(jí)，即在傳感器被切片或封裝前或封裝后進(jìn)行。若需要誤差低于±0.5℃，則要在封裝后進(jìn)行校準(zhǔn)。
③在智能傳感器中加入一個(gè)抵消或補(bǔ)償溫度波動(dòng)的控制動(dòng)作。例如，動(dòng)態(tài)誤差校準(zhǔn)技術(shù)就是在傳感器前端加入具有濾波功能的A/D轉(zhuǎn)換器，從而將接收的已被前端調(diào)制的干擾輸入信號(hào)濾除掉。
2.2 工藝控制
硅熱敏二極管的性能將受到IC工藝和可靠性的限制。結(jié)溫通常受到金屬接觸的電遷移、電路閉鎖、導(dǎo)線鍵合可靠性、封裝可靠性以及離子污染效應(yīng)的限制。因此，對(duì)這些因素必須進(jìn)行有效控制。
智能溫度傳感器的發(fā)射極-基極電壓VBE的重復(fù)性基本決定了傳感器的初始精度。例如，如果工藝特征尺寸發(fā)生變化，導(dǎo)致薄膜電阻和VBE的數(shù)值發(fā)生變化，即薄膜電阻和VBE的分布會(huì)隨著工藝特征尺寸的不同而發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^修調(diào)等工藝對(duì)VBE等參數(shù)進(jìn)行控制，修調(diào)需建立在對(duì)參數(shù)分布準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上。
2.3 應(yīng)力控制
在組裝和封裝過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致雙極晶體管特性發(fā)生改變?？刂茟?yīng)力需要對(duì)基極-發(fā)射極電壓的溫度效應(yīng)進(jìn)行量化，找到最小化性能參數(shù)漂移的方法。
2.4 熱管理
CMOS智能溫度傳感器片上智能CMOS溫度傳感器具有本地探測(cè)和接口適配等特點(diǎn)，在現(xiàn)代熱管理系統(tǒng)中被廣泛采用。在超大規(guī)模IC的寬溫度工作范圍應(yīng)用中，僅僅要求中等測(cè)量精度(±1-2℃)。這類傳感器的工作電壓已低至0.8V，電源靈敏度達(dá)到4℃/V。在25℃和45℃進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)之后，傳感器在-40~125℃溫度范圍內(nèi)誤差達(dá)到-0.6-0.8℃。片上智能溫度傳感器的參數(shù)比較如表1所示。在0.9V電源的條件下，A/D轉(zhuǎn)換器采樣率為5kS/s時(shí)，功耗僅為11.8μW，這些指標(biāo)已滿足熱管理應(yīng)用要求。
表1 片上智能CMOS溫度傳感器的參數(shù)比較
參數(shù) 文獻(xiàn)[6] 文獻(xiàn)[7] 文獻(xiàn)[8] 文獻(xiàn)[9] 文獻(xiàn)[10] 文獻(xiàn)[11] 文獻(xiàn)[12]
工藝/μm 0.16 0.35 0.18 0.13 0.18 0.18 0.18
面積/mm2 0.085 0.6 0.04 0.12 0.18 0.35 0.09
電源電壓/V 0.85-1.2 3.3 1 1.2 1.2-2 1.8 1.2
電源靈敏度/（℃×V-1） 0.45 28 － － 0.6 － 14
溫度范圍/℃ -40~125 0-90 -10~30 0-110 0-100 -40~85 0-100
誤差/℃ ±0.4(3σ) -0.4~0.6 -0.8~1.0 -4~4 -0.5~0.5 ±0.15(3σ) -1.4~1.5
分辨率/℃ 0.063 0.09 0.21 0.78 0.25 0.006 0.3
采樣率/S×s-1 167 2 33.3 5k 80k 10 32.8
校準(zhǔn)條件/℃ 30 10，70 -10，30 50 30 3個(gè)點(diǎn) 10，90
2.5 高溫傳感技術(shù)
CMOS溫度傳感器若工作在高于150℃溫度范圍下，CMOS器件的性能將嚴(yán)重退化，襯底注入、短溝道效應(yīng)等寄生效應(yīng)將加劇。采用SOI IC新工藝后，結(jié)構(gòu)中寄生的PN結(jié)漏電減小，被測(cè)溫度提升至250℃。例如，有一種通過1μmSOI CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)，它采用不同溝道長(zhǎng)度來補(bǔ)償NMOS和PMOS管閾值電壓溫度系數(shù)之間的失配。電壓基準(zhǔn)源電路在-25~250℃溫度范圍內(nèi)，閾值電壓溫度系數(shù)的精度達(dá)到27‰；在25-150℃溫度范圍內(nèi)，閾值電壓溫度系數(shù)的精度達(dá)到18.7‰。在275℃的溫度下，平均測(cè)溫誤差為±1.8％。另外，與CMOS工藝兼容的微熱板工藝可實(shí)現(xiàn)CMOS微板系統(tǒng)的工作溫度達(dá)到500℃。
傳感器應(yīng)用中微小型化和智能化的需求推動(dòng)溫度傳感器向以CMOS智能傳感器為主流的IC溫度傳感器發(fā)展。從設(shè)計(jì)、工藝和封裝等方面保證雙極晶體管的特性，對(duì)于CMOS傳感器的精度控制是至關(guān)重要的。在現(xiàn)代熱管理系統(tǒng)中，采用不同線寬的CMOS工藝可以制作出不同性能的傳感器。采用SOI IC工藝和微熱板工藝可以實(shí)現(xiàn)200℃以上的溫度測(cè)量。
作者：中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所 任芳、徐婉靜、賴凡、張楊波、王文捷、邱盛
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