基于热扩散的集成温度传感器资料说明

　　温度在许多物理、化学和生物过程中起着至关重要的作用，因此温度传感器的应用非常广泛。由于集成电路（IC）技术的进步，集成温度传感器已经成为可能，这种传感器是测量温度并将此信息报告给控制器或最终用户的小型硅芯片［1.1］工业和军事应用。这主要是因为它们成本低，体积小，使用方便，误差小。集成温度传感器通常基于测量双极结晶体管（bjt）的温度相关特性，这可以在大多数IC技术中实现。为了进一步降低成本，它们可以在相对成熟的集成电路工艺中制造，因为它们不需要存储器和处理器芯片中的最新集成电路技术。从历史上看，集成温度传感器已经满足了大型（电子系统）的独立温度传感需求，但是最近，集成温度传感的新应用出现了。其中最重要的一点是微处理器和其他大型数字芯片的热管理：CMOS技术的快速改进使得计算能力呈指数级增长，这一过程通常被称为“摩尔定律”。随着晶体管变小，它们变得更快，并且更多的晶体管可以放置在同样的硅面积：微处理器中的数字电路密度因此增加了一个数量级。然而，微处理器的能量密度也显著提高，由于这种现代微处理器的热容量有限，因此需要先进的热管理系统来优化其性能，同时保持可靠性。这需要小型、快速和准确的温度传感器。然而，在独立应用中广泛应用的基于BJT的传感器在现代CMOS工艺中实现时，其性能下降。BJT不像CMOS器件那样缩小尺寸，基于BJT的传感器的误差急剧增加，达到几摄氏度。这使得目前和未来大规模集成电路技术中热管理系统的需求难以满足。本论文将探讨一种不同的温度传感原理，使得在现代CMOS工艺中实现更小、更精确、更节能的传感器成为可能。这种传感器测量热量在硅中扩散所需的时间。由于硅中的声子输运与温度密切相关，这种热飞行时间传感器的延迟是绝对温度的测量。由于集成电路中使用的硅是非常纯净的，因此所提出的传感机制可以非常精确。此外，由于光学光刻技术的不断改进，可以越来越精确地确定飞行时间的测量距离。与基于BJT的传感器相比，该传感器应遵循摩尔定律，从而在现代CMOS工艺中提供更好的温度传感性能。这将为大型数字芯片的热管理提供一个有效且经得起未来考验的解决方案。其他应用也可能受益于所提出的传感器，因为它使用了与现有传感器根本不同的传感原理。本文将讨论这种热飞行时间传感器的建模与实现。它还将显示所需的电路读出和数字化他们的输出。随后将介绍一些测量结果，然后得出关于这种新型传感器家族的可行性和有用性的结论。本章将继续概述现有的温度传感器及其应用，包括其优缺点。然后，根据现有的现有技术及其未来的潜力，对所提出的传感器进行定位。本章最后概述了本文的结构。