關于集成電路（IC）溫度傳感器

田大龍+萬坤

【摘 要】在現代科技迅猛發展的21世紀，人類的活動信息化，傳感和檢測技術的重要性就顯得尤為突出。一切科學研究和生產過程要獲取信息，要通過傳感器轉換為容易傳輸與處理的電信號。而傳感器技術是關于傳感器的設計、制造及應用的綜合技術，它是傳感與控制技術、通信技術和計算機技術三大技術之一?；诖?，本文就針對關于集成電路（IC）溫度傳感器展開探討。

【關鍵詞】集成電路；優勢；溫度傳感器技術

一、 導言

傳感器是能感知外界信息并能按一定規律將這些信號轉換成可用信號的裝置。傳感器種類繁多，如果按照所測量的物理量進行分類，主要包括溫度傳感器，濕度傳感器等。溫度傳感器研究開發最早，應用領域也最廣泛。集成電路溫度傳感器具有線性好、抗干擾能力強、靈敏度高、體積小和使用方便等優點。隨著微電子技術的快速發展，新型集成電路傳感器不斷涌現，并廣泛應用于科學研究、工農業生產和家用電器等諸多領域。

二 、關于集成電路溫度傳感器比熱敏電阻器具有的優勢

溫度傳感元件幾乎是無處不在。從空調系統、冰箱、電飯煲、電風扇等家電產品直至PC機、服務器、計算機外設、移動電話手機等，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，目前在一些工業應用領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點，包括準確度更高，體積更小，功耗更低，更加適合在集成電路系統中應用。溫度傳感器集成電路的電壓輸出與溫度成正比，在相當寬的溫度范圍內，都具有很高的準確度。反之，熱敏電阻器的電壓輸出與溫度不具有線性關系，需通過查表或外加線性化電路，才能得到準確的溫度。而且，熱敏電阻器在高溫區段電壓變化率較小，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。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系，無論在高溫或低溫范圍內，準確度都是一樣的。其次，熱敏電阻器產品在不同的批次間存在差異，電子響應性能不一致。因而，使用前都需要進行調校，在大量生產時增加成本和時間。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，測量溫度的準確性降低。

三 、關于集成電路IC溫度傳感器技術

（一）熱二極管

熱二極管傳感器的優點是能與IC工藝兼容，且成本較低。當二極管由一恒定正向電流驅動時，其正向偏置電壓隨著溫度的升高而線性降低，這一性質被用于制作IC溫度傳感器。若要進一步增加靈敏度，可以采用2個或多個二極管串聯的方式，典型的可用溫度范圍是-100℃～250℃。

（二）熱晶體管

在集成電路中，熱二極管實際由基極連在一起的雙極晶體管構成。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結短接，在基極和射極擴散區形成唯一有源結，利用BC結作為感溫元件，即通常的2個三極管形式。若先對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個電壓的電壓差ΔVBE僅僅取決于這2個電流的比值，使其接近理想的PN結，其線性度接近理論推導值，從而獲得較高的溫度檢測精度。

（三）遙感傳感

將1個遙感熱二極管（或者熱晶體管）安裝于封裝之內或安裝在發熱系統同一芯片上，傳感器的其他部分不與系統直接接觸，可通過遙感進行控制。傳感器還包括A/D轉換器、邏輯電路以及讀出電路，可向微控制器發送優化系統所需的電熱信號。

（四）帶隙基準

帶隙基準電路是先進IC溫度傳感器的基本單元，用于產生獨立于溫度的基準電壓VREF。帶隙電路提供的基準電壓等于硅在零溫度時帶隙電壓的外推值1.205V。Widlar單元作為與溫度無關的輸出基準電壓源，可將帶隙電壓電路轉化為電壓正比于絕對溫度（VPTAT）的傳感器。觀察電阻R2兩端的電壓降，它正比于絕對溫度并且被R2/R3放大。而電流正比于絕對溫度（IPTAT），視為恒流發生器，與絕對溫度呈線性變化。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結二極管（即熱二極管）。硅雙極結型晶體管工作于二極管模式時，可作為溫度傳感器。標準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）。

標準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，并且對雙極管基極-發射結進行正向偏置，雙極晶體管就處于工作狀態。CVBT以源漏擴散作為發射極，阱作為基區，襯底作為集電極，其性能與雙極晶體管較接近，缺點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-漏擴散作為發射極和集電極，溝道作為基區，工序相對簡單，且集電極不受限制。由于基區摻雜濃度偏差造成溝道載流子遷移率不均勻，以及側向擴散導致基區發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：當該結構工作在AC電源下，因為襯底漏電流的存在，會出現信號幅度隨頻率變動的現象?？赏ㄟ^采用具有N型埋層的CMOS偏置源來解決。

（六）脈寬調制（PWM）傳感器

脈寬調制（PWM）溫度傳感器基于溫度占空比的輸出信號，可以通過VPTAT和頻率轉換器的電壓獲得。

四、總結

總之，在傳感與控制技術、通信技術和計算機技術三大技術中，傳感器是一種獲得信息的手段，它將感受或影響規定的被測量，按一定規律轉換成可輸出信號，以滿足信息的傳輸、存儲、處理、顯示和控制等要求。在各種測量信號中，由于電信號測量技術和手段發展的較好，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換為電量來測量。所以，本文探討關于集成電路（IC）溫度傳感器具有重要意義。

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