關(guān)于集成電路（IC）溫度傳感器

田大龍+萬坤

【摘 要】在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，人類的活動(dòng)信息化，傳感和檢測技術(shù)的重要性就顯得尤為突出。一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取信息，要通過傳感器轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。而傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，它是傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三大技術(shù)之一?；诖耍疚木歪槍?duì)關(guān)于集成電路（IC）溫度傳感器展開探討。

【關(guān)鍵詞】集成電路；優(yōu)勢；溫度傳感器技術(shù)

一、 導(dǎo)言

傳感器是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置。傳感器種類繁多，如果按照所測量的物理量進(jìn)行分類，主要包括溫度傳感器，濕度傳感器等。溫度傳感器研究開發(fā)最早，應(yīng)用領(lǐng)域也最廣泛。集成電路溫度傳感器具有線性好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、體積小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，新型集成電路傳感器不斷涌現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家用電器等諸多領(lǐng)域。

二 、關(guān)于集成電路溫度傳感器比熱敏電阻器具有的優(yōu)勢

溫度傳感元件幾乎是無處不在。從空調(diào)系統(tǒng)、冰箱、電飯煲、電風(fēng)扇等家電產(chǎn)品直至PC機(jī)、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)外設(shè)、移動(dòng)電話手機(jī)等，都需要具有溫度傳感功能的器件。雖然長期以來熱敏電阻器是最常用的元件，目前在一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域仍然起重要的作用；但是，集成電路溫度傳感器比起熱敏電阻器有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括準(zhǔn)確度更高，體積更小，功耗更低，更加適合在集成電路系統(tǒng)中應(yīng)用。溫度傳感器集成電路的電壓輸出與溫度成正比，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，都具有很高的準(zhǔn)確度。反之，熱敏電阻器的電壓輸出與溫度不具有線性關(guān)系，需通過查表或外加線性化電路，才能得到準(zhǔn)確的溫度。而且，熱敏電阻器在高溫區(qū)段電壓變化率較小，不易分辨，造成溫度測量的誤差較大。這是熱敏電阻器的最大缺點(diǎn)。相比之下，集成電路溫度傳感器因其電壓輸出與溫度成線性關(guān)系，無論在高溫或低溫范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度都是一樣的。其次，熱敏電阻器產(chǎn)品在不同的批次間存在差異，電子響應(yīng)性能不一致。因而，使用前都需要進(jìn)行調(diào)校，在大量生產(chǎn)時(shí)增加成本和時(shí)間。集成電路溫度傳感器的輸出阻抗較低，功耗也較低；熱敏電阻器通過消耗電流感受溫度，功耗較高。而且，長時(shí)間感受溫度使熱敏電阻器本身的溫度也升高，測量溫度的準(zhǔn)確性降低。

三 、關(guān)于集成電路IC溫度傳感器技術(shù)

（一）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℃。

（二）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精度。

（三）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)。

（四）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，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%。

（五） CMOS傳感器

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。基本的、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。

2.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。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。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。

（六）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。

四、總結(jié)

總之，在傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三大技術(shù)中，傳感器是一種獲得信息的手段，它將感受或影響規(guī)定的被測量，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)，以滿足信息的傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示和控制等要求。在各種測量信號(hào)中，由于電信號(hào)測量技術(shù)和手段發(fā)展的較好，其采集、傳輸、處理、顯示最為方便，因而，人們常將各種非電量轉(zhuǎn)換為電量來測量。所以，本文探討關(guān)于集成電路（IC）溫度傳感器具有重要意義。

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