空间用超低功耗CMOS温度传感器的设计

阿布Pandey¹，达维亚·亚达夫²， Ritika Singh²， Vijay Nath (IEEE成员)^3.

博士学者，超大规模集成电路设计组，B.I.T. Mesra, Ranchi-835215(JH)，印度
M.E.学者，B.I.T. Mesra ECE系VLSI设计组，Ranchi-835215(JH)，印度
助理教授，超大规模集成电路设计组，B.I.T.梅斯拉，Ranchi-835215(JH)，印度

摘要

在这篇论文中，我们介绍了新型超低功耗CMOS温度传感器的空间应用。如今，每一种应用都需要新的标准电路。这种CMOS温度传感器能够测量从-150℃[-238 oF]到260℃[500 oF]的温度范围。这种低功耗CMOS温度传感器能够在恶劣的环境下工作。设计范围宽，线性响应范围从-150℃到260℃的温度传感器，适用于不同的空间应用，如环境冷却系统，液压和润滑系统中的油，冷却剂和加热系统中的流体。该电路采用SoC概念设计，并使用1V的单轨电源运行。该电路功耗分别为0.752μW [-238 oF]和46.7 μW [500oF]。该电路的灵敏度约为0.18 μW/ oC。本文基于比例绝对温度法(PTAT)和负温度系数法(NTC)。该电路采用Cadence模拟和数字系统设计工具UMC 90nm技术进行设计和仿真。

关键字

互补金属氧化物半导体;超大规模集成电路;SOI:绝缘子上系统;SoC:片上硅。

我的介绍。

温度是最重要的基本物理量之一，在我们的日常生活中几乎是常见的，它与物质的数量无关，即具有集约性。正如我们所知，成百上千的器件都是在薄硅片上形成的。在晶圆被切割成单个芯片之前，通常会进行激光修整。工艺补偿CMOS温度传感器[1]是为微处理器应用而设计的。这个电路的美妙之处在于不需要任何BJT组件。这种CMOS温度传感器能够感知范围-40℃至85℃。超低功耗CMOS电池温度传感器[2]采用PTAT(正比于绝对温度)和NTC(负温度系数)设计。该温度传感器能够感知范围32℃至127℃。

0.6-2.0V CMOS温度传感器[3]只定义了批量驱动技术。该温度传感器采用UMC 0.13um技术，可检测0℃至120℃的温度。采用CMOS技术设计的PTAT传感器[4]单片机。该温度传感器具有较宽的温度范围和良好的线性度。其量程为-100℃至200℃，灵敏度约为0.05mV/ oC。该芯片采用1.6V单电压源设计。它可用于各种应用。

温度是一个物理量，用数值尺度来衡量热和冷。在一个处于内部热平衡的物体中，温度在空间上是均匀的。温度在自然科学的各个领域都很重要。温度传感器不仅适用于空间应用，而且在物理、化学、地质和生物学等不同领域有更多的用途。

据我们所知，BJT设计的ic芯片在某些操作条件下表现良好，但存在功耗和封装密度问题。由于要求简单，减少寄生/锁存和高封装密度，我们朝着新技术CMOS SOI[6]的方向发展。在CMOS电路中，NMOS晶体管作为最佳驱动器，PMOS作为负载。特征尺寸的减小和封装密度的增大使芯片的自热成为一个重要因素。因为通过减小栅极长度，闭锁/寄生效应增加。因此，为了减少锁存/寄生效应，我们打算利用CMOS SOI技术来达到同样的目的。本文旨在开发一种低功耗微系统(MST)，用于在恶劣环境条件下的长寿命连续温度监测。

在早期，二极管和晶体管的基极-发射极电压VBE与温度有关。BJT(双极结晶体管)的最佳性能为-50℃至150℃，具有良好的线性度。超过200℃，BJT结被破坏[7]。我们正在接近CMOS PTAT(比例绝对温度)温度传感器。在CMOS中，阈值电压和迁移率是两个主要的随温度变化的参数。在MOSFET中，最好的事情是我们可以缩放参数，即我们可以改变掺杂，阈值电压，迁移率等。我们知道，在现代VLSI技术中，如果我们改变晶体管的通道长度，那么掺杂浓度、迁移率、阈值电压也会发生变化。如果阈值电压或迁移率变化，则温度也会变化。405nW CMOS温度传感器是基于线性MOS操作[8]。该CMOS温度传感器适用于MOS晶体管在线性区域工作的超低功耗应用，可以获得延迟与温度之间的线性关系。

SOI CMOS技术适用于高达225 oC[9]的极端温度应用。这种SOI CMOS温度传感器是为航空航天应用中的辐射环境而开发的。提出了一种具有良好线性度的超低功耗CMOS温度传感器。这种CMOS温度传感器在-150℃[-238 oF]到260℃[500 oF]之间表现出最佳线性。这些电路在空间应用中更为可行，如环境冷却系统、液压和润滑系统中的油以及冷却剂和加热系统中的流体。这些电路是基于PTAT(正比于绝对温度)和NTC(负温度系数)的概念设计的。采用Cadence模拟和数字系统设计工具UMC 90nm技术进行设计和仿真。它能在1V的极低单路电源下工作，功耗分别为0.755μW [-238 oF]和46.7 μW [500oF]。

2方法

基于简单电流反射镜的电路如图1所示。我们知道，当我们将栅极连接到MOSFET漏极时，它在饱和区域[10]-[12]中工作。将栅极连接到漏极意味着dsv控制di，因此通道跨导成为通道电导。当NMOS晶体管进入饱和区时

由式(13)可知，d r与纵横比(w/l)成反比。因此，如果我们增加纵横比的值，电阻的值就会减小。

3仿真结果与讨论

A.不同的w/l比

在图(1)晶体管M4和M5作为负载工作。如图(2)所示，我们绘制了M5在不同宽高比下的电压与温度的关系图。在模拟中，我们将宽高比范围25u到100u的值不断增加25u。在100u方面，我们在-150℃到260℃范围内实现了更宽的优秀线性，这两个温度范围之间的电压差也很好。所有晶体管的长径比均按S1=S2=S3=2u/90n给出。S4 = 2 u / 90 n, S5 =变量;和电源电压VDD=1V。不同纵横比下的温度范围见表1。

B.在不同电源(VDD)下

图3为不同电源(VDD)下温度传感器的量程。因此，我们将电压从0.750V改为2.000 V，增量为0.250V。在所有晶体管的固定纵横比为1V时，取得了较好的效果。S1=S2=S3=2u/90n, S4= 2u/90n, S5=100u/90n。不同电源电压下的温度范围见表2。

C.采用固定w/l比和固定电源

图4显示了所有晶体管的固定电源1V和固定纵横比。S1=S2=S3=2u/90nm, S4= 2u/90nm, S5=100u/90n。

图5为固定W/L比和固定电源下的温度与功耗曲线图。超低功耗CMOS温度传感器的布局如图6所示。其布局面积为30mX 20.5m。

四。结论

设计了一种超低功耗CMOS温度传感器，具有-150℃至260℃的优良线性范围。这个电路的布局区域是30Ã¯Â ÂmX 20.5Ã¯Â Âm。该电路设计用于比利时UMC制造，使用Cadence模拟和数字系统设计工具，采用UMC 90nm技术。它能在1V的极低单路电源下工作，功耗分别为0.755μW [-238 oF]和46.7 μW [500oF]。该电路的灵敏度约为0.18 μW/ oC。

鸣谢

我们感谢新德里科技部和印度海得拉巴国防研究发展实验室为这个项目提供资金。我们还要感谢我们的副校长P.K. Barhai博士和欧洲经委会系主任S.K.Ghorai博士不断的鼓舞和鼓励。

参考文献

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