一种利用两种不同温度系数材料来实现温度传感器的技术的概述

集成电路应用杂志 2018-05-19 10:33 次阅读

杨小奇,万建军,刘文江

摘要:传统的嵌入式温度传感器利用三极管和 ADC 来实现,本文提出了一种利用两种不同温度系数材料作为传感,采用共享电容的双路环形振荡器来实现温度传感器的技术,该温度传感器有功耗低,面积小,精确度高的特点。

1  引言

在电子产品中很多电子元器件的特性都和温度密切相关,因此为了消除电子元器件性能在不同温度下的漂移,在各种电子产品中都会内嵌温度传感器。比如由于温度引起的晶体频率补偿[1],基于温度控制的 MEMS 系统[2]等。单独的温度传感器也嵌入到各种应用中,比如医疗健康[3],近场通信[4]。对于温度传感器技术本身而言,采用能量收集技术(Energy harvest)完成低功耗[5],采用数字化和自适应补偿[6-11]等成为一些研究方向。因此如何设计功耗低、芯片面积小、精度高的温度传感器就成为这一课题持续研究的动力。传统的 CMOS 温度传感器利用三极管或热敏电阻的温度特性来设计,而本文提出了一种利用两种不同温度系数材料来作为温度传感,采用共享电容的双路环形振荡器来实现温度传感器的技术。

一种利用两种不同温度系数材料来实现温度传感器的技术的概述

2  温度传感器原理

温度传感器的设计,需要一个对温度敏感的电子元器件来实现,热敏电阻是常用的电子元器件。常见的热敏电阻,其电阻值是温度的函数,温度-电阻的关系通常近似如式 1 所示。

(1)

其中,R0 是在 T0 温度为 时的电阻值,B 为热敏电阻的温度参数,该系数和热敏电阻的材料有关。通常在其正常工作温度范围内,热敏电阻的温度-电阻曲线近似线性关系,如图 1 所示。工程上为了计算方便,通常将其曲线用线性方程做近似拟合,拟合后公式通常为式 2 的形式[12,13],

   (2)

其中,A1,A2 为温度参数。对于不同的热敏电阻材料,其温度系数和通常不同。表 1 给出了一种 N+ 型多晶硅、一种 P+ 型多晶硅以及一种金属材料制成的热敏电阻的温度系数信息[14],本文就是利用多晶硅和金属的不同温度系数来设计温度传感器。

3  温度传感器电路

在实际电路中电阻值不便于直接测量,因此通常通过一定的电路把电阻值转化为与其成一定函数关系的电流、电压或频率值等便于电路的测量和处理。而这其中,又以使用恒流源将电阻值转换为电压值,再通过 ADC 将模拟电压值转换为数字值提供给后端电路的方案最为常用。这种方法通过调整恒流源电路产生一个恒定的电流,该电流在流经电阻时产生合适的电压偏置。后级滤波放大电路对这一信号进行处理,并将滤波放大后的电压送到 ADC,经过 ADC 转化,得到的数字电压值提供给后续电路处理。由于现行 ADC 能够提供很高的转换精度,并且各电路模块都有非常成熟的解决方案,因此被广泛应用于各类温度传感器的产品和解决方案中。然而 ADC 电路在转换时通常需要较高的能量,并且其成本较高。因此对于低功耗、低成本的应用,这种方案还有待提高。本文提出了一种共享电容的双路环形振荡器如图 2,利用两个振荡器频率的不同来计算温度的方案[15-22],该振荡器有面积小,功耗低,准确度高的优点。

本文提出的温度传感器电路是一个环形振荡器(Ring oscillator),其中的 RC 决定了该 Ring oscillator 的频率。该电路中 R 是可选的,可以用金属电阻(Metal Resistor)也可以选择多晶硅电阻(Poly Resistor),不同的电阻串联在电路上就能获得不同的振荡频率。

振荡器频率和 RC 的关系如式 3。

           

   (3)

该电路中,当 SEL=1 的时候,电路选择的是 PolyResistor,当 SEL=0 的时候电路选择的是MetalResistor,根据公式(1-4),可以得出频率的比值和电阻比值的关系,从等式可以看出该频率比值消除了电容 C 的影响,即使芯片和芯片电容的一致性差,也能保证频率的比例关系反应的是两个电阻的比例关系,这样电容 C 可以利用芯片内部的双多晶硅/双金属层/叠层金属(PIP/MIM/MOM)电容来实现。不需要外接精确的电容。

Fmetal / Fpoly = C×Rpoly  / C×Rmetal

                         = Rpoly  / Rmetal  

(4)

4  温度传感器实现

根据这个原理,本文选取了 SMIC 的 CMOS 工艺设计了一个温度传感器。根据该工艺的 PCM 规范,我们得到如图 3 所示的 Poly Resistor 和 Metal Resistor的温度曲线。由于金属电阻是正温度系数,多晶硅电阻是负温度系数,因此图中的电阻一个随温度上升而上升,一个随温度上升而下降。虽然电阻是温度的二次函数,但是二次项系数很小,比一次项系数小 3~4 个数量级,因此在工业级芯片的工作范围内,可以近似为温度的一次函数。这样有利于计算方便。

由于金属方块电阻的大小远远小于多晶硅电阻,从图 3 可以看到二者的比例达到 1 000 倍。同样的方块电阻,金属电阻的面积比多晶硅电阻大很多,图 4 是该温度传感器在显微镜下的俯视图,图中标明了电容电阻的大致比例关系,其中的电容是采用的是 MIM电容。

该温度传感器芯片的测试数据如表 2,从表中可以看到,环形振荡器的周期都随着温度的上升而升高,这主要是由于温度升高引起了 MOS 管电流降低,所以两种材料的振荡器周期的绝对值是随温度升高而升高的,但是振荡器周期的比例是随着温度升高而降低的,这刚好反映的是金属电阻的正温度系数和多晶硅电阻的负温度系数。

根据表 2 的数据利用 Matlab 的最小二乘拟合,我们可以得出图 5 的振荡器周期比和温度的关系,该拟合的最小二次系数 R2 = 0.9999,可以得到很高的拟合度。实际产品中,可以选取两点或者多点来拟合整条曲线。我们在产品测试中采用 20℃和 50℃ 两点来拟合整条曲线,根据拟合曲线和实际测试得到的频率计算温度,在 20 ℃~50 ℃ 这个温度范围内的温度准确度达到了 0.1℃,而整个传感器的功耗小于 1μA。实际测试发现,拟合的点数越多,准确度越高,该温度传感器经过 1 000 小时寿命测试以后,准确度仍然可以达到 0.4 ℃。

5  结语

本文设计了一种双路环形振荡器结构的温度传感器,提出了利用共享电容的方式解决了电路加工的时候元器件不一致的问题,给出的实测数据表明该电路的准确度可以达到±0.1℃,该传感器的功耗小于1μA。

本文研究设计的这种温度传感器有着较良好的性能和表现,可以满足大多数应用领域的需求。


热门推荐

原文标题:一种面积小功耗低的 温度传感器设计

文章出处:【微信号:appic-cn,微信公众号:集成电路应用杂志】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

介绍MAX 10 FPGA开发套件的特点性能

Altera 的 55 nm MAX® 10 FPGA 提高了外部系统组件功能的集成度,从而降低了系....

的头像 英特尔 Altera视频 发表于 06-22 01:19 37次 观看
介绍MAX 10 FPGA开发套件的特点性能

AN1001中文手册之利用PIC单片机补偿IC温度传感器精度

本应用笔记将推导出描述传感器典型非线性特性的公 式,并利用此公式对指定温度范围内传感器精度误差进 行....

发表于 06-21 17:26 16次 阅读
AN1001中文手册之利用PIC单片机补偿IC温度传感器精度

请问如何实现温度传感器超出所设温度后进行短信通知?

发表于 06-21 17:13 75次 阅读
请问如何实现温度传感器超出所设温度后进行短信通知?

MCP9700模拟输出温度传感器与PICmicro单片机的接口

模拟输出温度传感器芯片相对于传统温度感应器(如热 敏电阻)更易于使用。 MCP9700 提供了许多系....

发表于 06-21 12:25 14次 阅读
MCP9700模拟输出温度传感器与PICmicro单片机的接口

嵌入式应用温度测量如何选择温度传感器和调理电路

本应用笔记介绍了如何选择温度传感器和调理电路以实现最高测量准确度并简化与单片机的接口。本文提供了使用....

发表于 06-20 08:26 18次 阅读
嵌入式应用温度测量如何选择温度传感器和调理电路

基于51单片机温度传输与显示的合集包括了仿真图,设计报告,程序代码等

本次设计就是利用单片机来完成一个系统,实现两单片机之间的通信。并且使用DS18B20温度传感器,由一....

发表于 06-20 08:00 50次 阅读
基于51单片机温度传输与显示的合集包括了仿真图,设计报告,程序代码等

实现高度精确的温度测量设计

虽然温度测量对于很多应用来说是一项常规要求,但开发人员在确保结果高度准确方面仍面临严峻挑战。克服这些....

的头像 电子设计 发表于 06-19 09:29 589次 阅读
实现高度精确的温度测量设计

8位PIC单片机上的温度传感器模块工作原理以使用的详细资料概述

有些应用需要测量单片机的内部温度。要确保单片机在热降额限值范围内工作,监视其内部温度十分有用。在封闭....

发表于 06-12 11:27 25次 阅读
8位PIC单片机上的温度传感器模块工作原理以使用的详细资料概述

MCP9800温度传感器PICtail演示板的详细中文资料概述

MCP9800 温度传感器 PICtail 演示板也可以做为单独的模块,快速地在现有的应用中增加温度....

发表于 06-12 09:27 21次 阅读
MCP9800温度传感器PICtail演示板的详细中文资料概述

如何将MCP2210评估工具包作为开发工具使用的详细中文资料概述

本文档介绍如何将 MCP2210 评估工具包作为开发工具使用。 CP2210 评估工具包 (ADM....

发表于 06-11 17:28 22次 阅读
如何将MCP2210评估工具包作为开发工具使用的详细中文资料概述

LoRa传感云技术应用于室内温湿度监测实验

发表于 06-11 14:37 167次 阅读
LoRa传感云技术应用于室内温湿度监测实验

请问采集卡连接了温度传感然后用DAQ助手进行运行显示的数据是温度的实际值吗?

发表于 06-10 18:43 176次 阅读
请问采集卡连接了温度传感然后用DAQ助手进行运行显示的数据是温度的实际值吗?

18b20温度传感器做的51水温检测系统

发表于 06-10 17:39 171次 阅读
18b20温度传感器做的51水温检测系统

大佬们能帮我看看,温度控制系统,proteus仿真不正常,大佬们帮帮忙,我的论文啊~

发表于 06-08 21:08 132次 阅读
大佬们能帮我看看,温度控制系统,proteus仿真不正常,大佬们帮帮忙,我的论文啊~

MCP9902温度传感器评估板的介绍和应用的详细资料概述

本文档介绍了如何使用 MCP9902 温度传感器评估板作为开发工具在目标电路板上仿真和调试固件。 ....

发表于 06-08 15:28 38次 阅读
MCP9902温度传感器评估板的介绍和应用的详细资料概述

MCP9902远程温度传感器

本视频将通过2通道温度传感器MCP9902向大家介绍Microchip提供的远程温度传感器功能。

的头像 EE techvideo 发表于 06-07 13:46 97次 观看
MCP9902远程温度传感器

Microchip温度传感器系列产品

Microchip是业界能提供最丰富温度传感器产品的供应商之一。本视频就Microchip各类温度传....

的头像 EE techvideo 发表于 06-07 13:46 205次 观看
Microchip温度传感器系列产品

MPLAB代码配置器实验5

数字电源入门工具包(Digital Power Starter Kit,产品编号:DM330017)....

的头像 EE techvideo 发表于 06-06 13:46 153次 观看
MPLAB代码配置器实验5

温度控制PID系统中,继电器不工作,电路图和程序如下,谢谢啦~

发表于 06-01 15:41 319次 阅读
温度控制PID系统中,继电器不工作,电路图和程序如下,谢谢啦~

用于功率晶体管的AN-446A动态安全区域保护采用峰值温度限制

通过限制其峰值结温度可以为大功率晶体管提供安全区域保护。

发表于 05-23 14:57 40次 阅读
用于功率晶体管的AN-446A动态安全区域保护采用峰值温度限制

Microchip EMC118x系列温度传感器的简单介绍

EMC118x系列温度传感器是针对最新智能手机/平板/电脑芯片组的温度传感器,兼容1.8V SMBu....

的头像 EE techvideo 发表于 05-23 14:47 458次 观看
Microchip EMC118x系列温度传感器的简单介绍

1999年八月模拟应用学报

模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)在数据采集系统的设计中起着重要的作用。

发表于 05-23 08:37 42次 阅读
1999年八月模拟应用学报

凌力尔特 温度监视器产品在仪器仪表方面的应用

热管理是系统设计的关键部分。 FPAG 和处理器通常需要散热器和风扇,当出现某些故障情况 (风扇停转....

的头像 EE techvideo 发表于 05-22 13:44 988次 观看
凌力尔特 温度监视器产品在仪器仪表方面的应用

小外形精确LMT70模拟温度传感器设计

技术进步已允许将温度传感器集成电路(IC)用于人体温度测量(常见于可佩戴式保健带和医疗设备中)等精密....

的头像 电子设计 发表于 05-22 09:08 1010次 阅读
小外形精确LMT70模拟温度传感器设计

10个任何人都可以做的Arduino项目!

在规划阶段,您只需要一个电源、像Arduino Pro micro 5v这样的微控制器和两个组件:P....

的头像 玩转单片机 发表于 05-21 17:25 1930次 阅读
10个任何人都可以做的Arduino项目!

TI芯片LM20于远程系统的小型温度传感器的应用

这些曲线将硅温度传感器的温度传递函数与NTC热敏电阻的电压传递函数进行比较。热敏电阻的非线性可以用查....

发表于 05-21 10:24 47次 阅读
TI芯片LM20于远程系统的小型温度传感器的应用

用于远程系统的微型模拟输出温度传感器的详细资料概述

LM20、LM45、LM50、LM60、LM61和LM62都是模拟输出温度传感器。它们具有不同的输出....

发表于 05-18 17:29 46次 阅读
用于远程系统的微型模拟输出温度传感器的详细资料概述

汽车电子设计中温度感测方案

当你驾车在很小的行驶范围内穿越多个主要气候带时,你需要感谢汽车工程师们所做的工作。以加州为例,死谷的....

的头像 电子设计 发表于 05-18 09:34 2144次 阅读
汽车电子设计中温度感测方案

热敏电阻和模拟温度传感器感测解决方案

选择合适的温度传感器不但可以节省成本,还可以尽可能地提高系统性能。在这篇博文中,我将主要来谈一谈热敏....

的头像 电子设计 发表于 05-17 08:46 1385次 阅读
热敏电阻和模拟温度传感器感测解决方案

EDA 基于LM75A的温度传感器verilog程序

发表于 05-11 09:06 247次 阅读
EDA 基于LM75A的温度传感器verilog程序

AMC7812一款完整的模拟监视和控制解决方案的详细资料概述

 AMC7812 是一款完整的模拟监视和控制解决方案,此解决方案包括一个16 通道,12 位模数转换....

发表于 05-10 15:22 40次 阅读
AMC7812一款完整的模拟监视和控制解决方案的详细资料概述

功率近零的温度传感器可延长穿戴式或植入式设备的电池寿命

随着温度变化,系统也在调整,让依赖于温度的电流源和固定电流源的充电时间相同。内置的数字反馈回路,通过....

的头像 Medtec医疗器械设计与制造 发表于 05-08 14:51 1130次 阅读
功率近零的温度传感器可延长穿戴式或植入式设备的电池寿命

华润雪花啤酒推出了国内首创的智能桶啤

所谓智能啤酒桶,是指啤酒桶内设置有温度传感器和压力传感设备,实时监控和调节啤酒桶内温度与保持桶内气压....

的头像 MEMS 发表于 05-04 09:12 2282次 阅读
华润雪花啤酒推出了国内首创的智能桶啤

如何根据温度传感器和菜谱设置的温度控制电磁炉的IGBT导通时间、从而调节电磁炉的功率?

发表于 05-03 16:27 229次 阅读
如何根据温度传感器和菜谱设置的温度控制电磁炉的IGBT导通时间、从而调节电磁炉的功率?

对焦稳定控制算法试验平台的搭建和研究测试

如今市场对于手机拍照功能的需求可谓是日新月异,这对于手机摄像头的数量及质量都提出了更高、更复杂的要求....

的头像 集成电路应用杂志 发表于 05-02 16:13 323次 阅读
对焦稳定控制算法试验平台的搭建和研究测试

FRC算法具体需要考虑的因素总结

能够用 6 bit source 的输出来达到 8 bit full color(16.7 M co....

的头像 集成电路应用杂志 发表于 04-29 22:04 1391次 阅读
FRC算法具体需要考虑的因素总结

低触发电压的可控硅结构保护电路设计的详细介绍

当前的集成电路设计中大量采用了可控硅的设计结构来进行 ESD 的保护,但是一般的SCR 保护结构很难....

的头像 集成电路应用杂志 发表于 04-29 11:37 430次 阅读
低触发电压的可控硅结构保护电路设计的详细介绍

MID流量计及带内部漂移监测的温度传感器

TAD系列的传感器具有两个不同特性的电阻元件(PT1000和NTC),可在过程中长期监测对方。发生温....

发表于 04-26 11:24 58次 阅读
MID流量计及带内部漂移监测的温度传感器

STM32F103C8使用内部温度传感器,温度不增加反而降低

发表于 04-26 03:49 413次 阅读
STM32F103C8使用内部温度传感器,温度不增加反而降低

如何使用温度传感器传来的数值与一个阈值进行比较

发表于 04-25 19:52 271次 阅读
如何使用温度传感器传来的数值与一个阈值进行比较

关于TMP03_04型数字温度传感器及其在温度保护中的应用

介绍了 TMP03/04 型数字温度传感器在晶闸管功率模块温度保护电路中的应用, 着重介绍了该芯片与....

发表于 04-25 17:17 63次 阅读
关于TMP03_04型数字温度传感器及其在温度保护中的应用

传感器的演进过程 未来将广泛应用科技发展

智能化传感器将广泛应用科技发展 智能化传感器是微型计算机和 传感器 相结合的成果。它兼有检测、判断与....

发表于 04-25 13:10 501次 阅读
传感器的演进过程 未来将广泛应用科技发展

利用PIC®单片机补偿IC温度传感器精度

Microchip Technology Inc提供系列模拟输出或串行数据输出的集成芯片式温度传感器....

发表于 04-23 11:45 44次 阅读
利用PIC®单片机补偿IC温度传感器精度

这款袜子可以监测糖尿病患者脚部温度

这种袜子内置温度传感器,能通过蓝牙与患者智能手机上安装的匹配应用进行通信。还有一个选项,可以使用集线....

发表于 04-23 07:52 793次 阅读
这款袜子可以监测糖尿病患者脚部温度

MSP430F112单片机的智能温度传感器设计详析

本文介绍了一种最新 的单片机 M SP430F 1 12的功能,并使用谊单片机作为核 部件设计 了一....

发表于 04-19 09:18 41次 阅读
MSP430F112单片机的智能温度传感器设计详析

低电压光电式烟感探测器芯片成为安防系统中的主流

光电感应烟雾报警器具有精度高、寿命长、抗风、抗潮和抗电磁干扰等多种优点。由于它抛弃了放射源,全部由电....

的头像 集成电路应用杂志 发表于 04-17 17:44 947次 阅读
低电压光电式烟感探测器芯片成为安防系统中的主流

LM34LM35温度传感器精密单片的概述

LM34华氏温度传感器LM35温度传感器的精度和精密度介绍了温度传感器。LM34具有输出10毫伏/°....

发表于 04-10 17:36 124次 阅读
 LM34LM35温度传感器精密单片的概述

基于AVR单片机与温度传感器相结合的实时温度控制

ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及....

发表于 04-08 11:55 463次 阅读
基于AVR单片机与温度传感器相结合的实时温度控制

温度传感器I2C的总线应用及设计

需求:读嵌入式温度传感器的值。已知条件:*温度传感器已经在主板上焊好了。*温度传感器型号为lm75*....

的头像 嵌入式ARM 发表于 04-07 07:11 1860次 阅读
温度传感器I2C的总线应用及设计

一文教你动手自制智能物联网接线方法

导读: 利用物联网控制器远程控制小风扇。需要用到12V蓄电池给控制器供电,18B20温度传感器显示当....

发表于 04-06 10:12 941次 阅读
一文教你动手自制智能物联网接线方法

基于C8051F410单片机的血糖仪设计方案

血糖测量通常采用电化学分析中的三电极体系。三电极体系是相对于传统的两电极体系而言,包括,工作电极(W....

的头像 电子发烧友网工程师 发表于 04-06 03:13 924次 阅读
基于C8051F410单片机的血糖仪设计方案

DS18820数字式温度传感器制作低成本温度控制实验系统

单片机系统通过串口与上位PC机实现通讯,上位机实现温度、温度曲线显示以及PID参数的设定,用户通过上....

发表于 04-02 16:41 879次 阅读
DS18820数字式温度传感器制作低成本温度控制实验系统

浅谈温度传感器的主要类型和应用

新款数字式温湿度复合传感器HTU21D树立了新的湿度传感器的尺寸和智能化典范:采用适合回流焊的DFN....

发表于 04-02 08:58 823次 阅读
浅谈温度传感器的主要类型和应用

基于LTC2986实现适合各种环境的高精度、多通道温度测量

虽然温度测量对于很多应用来说是一项常规要求,但开发人员在确保结果高度准确方面仍面临严峻挑战。克服这些....

的头像 设计idea 发表于 03-29 08:25 1548次 阅读
基于LTC2986实现适合各种环境的高精度、多通道温度测量

测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

这就是稳定时间 tS 。tS取决于每个输入节点上个别电阻器(RSENSE 和 RTD)和电容器的数量....

的头像 亚德诺半导体 发表于 03-28 08:36 1392次 阅读
测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

温度传感器的认识及其工作过程

由于温度与湿度不管是从由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系,所以温....

发表于 03-26 13:16 1172次 阅读
温度传感器的认识及其工作过程

集成温度传感器AD590_LM35及其测量电路

本文主要介绍了集成温度传感器AD590_LM35及其测量电路。AD590是一种常用的电流型集成温度传....

发表于 03-15 10:56 2420次 阅读
集成温度传感器AD590_LM35及其测量电路

空调温度检测电路图大全(中央空调/传感器温度检测电路详解)

本文主要介绍了空调温度检测电路图大全(中央空调/传感器温度检测电路详解)。室温的温度透过进风格栅、空....

发表于 03-15 10:18 1458次 阅读
空调温度检测电路图大全(中央空调/传感器温度检测电路详解)

工业物联网设计:你要掌握随时可用的单板设计开发IoT原型

本文将重点介绍用于物联网设计的简单温度传感器平台的设计,还将重点说明所使用的个别元件。此外,此平台不....

发表于 03-15 09:54 689次 阅读
工业物联网设计:你要掌握随时可用的单板设计开发IoT原型

通过传感器控制车内温度应用方案

无论是酷暑还是寒冬,利用汽车加热冷却系统,乘客始终可以享受到舒适的车内环境。在不同类别的车辆中,这些....

的头像 电子设计 发表于 03-09 06:33 2825次 阅读
通过传感器控制车内温度应用方案