片上温度传感器制造技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，提供一片上温度传感器，包括：基本电路单元，斩波单元，电阻微调单元，电熔丝阵列以及R-C滤波网络。采用斩波单元来消除片上温度传感器的非理想因素失调电压、失配和噪声；同时，进一步采用电阻微调单元实现精度的进一步提高，并以电熔丝阵列将电阻微调单元所需的控制位集成在芯片内，有效控制封装成本，并保证了器件的高集成度。此外，本发明专利技术提供的片上温度传感器还通过R-C滤波网络来实现输出电压的归一化，最终得到消除工艺影响、在不同芯片上具有一致性的输出结果的高精度片上温度传感器。

【技术实现步骤摘要】
片上温度传感器
本专利技术涉及半导体
，特别涉及片上温度传感器技术。
技术介绍
在现代生活中，温度信息的检测和监控一直是关注的焦点，尤其在食品、医疗、卫生等与日常生活息息相关的领域更是必不可少。因此，检测和控制温度的芯片及产品具有广泛的应用，作为核心技术的温度传感器产品同样种类繁多。如用于片外温度检测的热电偶、采用三极管的PN结温度特性实现温度检测的片上温度传感器等。与片上温度传感器相比，片外温度传感器具有更高的精度和准确性，然而，由于处于片外，其占用面积大，在集成度不断提高的发展趋势下，越来越成为温度传感器的发展瓶颈。此外，由于芯片在工作状态下，内外部温差较大，诸如热电偶这样的片外温度传感器是无法满足芯片内部温度检测需求的。在这种情况下，可实时监测芯片温度的片上温度传感器逐渐引起业内重视。然而，由于大多温度传感器均采用PN结温度特性来实现检测，且PN结温度特性受工艺、电压等影响较大，对于一般半导体结构，片上温度传感器的精度，尤其是不同芯片的片上温度传感器之间的精度差别较大。图1为现有技术中片上温度传感器电路结构图。如图1所示，现有技术中，片上温度传感器包括若干场效应晶体管M101~M112、双极晶体管Q101~Q103以及运算放大器I101、电阻R101、R102，其中，场效应晶体管M101~M112的特征参数是完全相同的，假设运算放大器I101没有失调电压VOS，且双极晶体管Q101~Q103和场效应晶体管M101~M112是完全匹配的，则该片上温度传感器中各路电流均相同，且在运算放大器I101的作用下，其两输入端VN和VP的电压也相同，根据双极晶体管的基本电压电流公式可得：双极晶体管Q101发射结电压：，双极晶体管Q102发射结电压：，其中，IPTAT为场效应晶体管组成的电流镜产生的与温度呈比例变化的PTAT输出电流，VT为阈值电压，且，I0为双极晶体管饱和电流，且，μ为电子迁移率，ni为本征载流子浓度，k为波尔兹曼常熟，T为热力学温度。从而可进一步得到双极晶体管Q101、Q102的发射结电压差：，而Vbe的电压落在电阻R101上，则,相应的，输出电压，进一步的，，其中，k1与成正相关关系，且与温度的关系较小。由此可知，片上温度传感器的输出电压与温度成线性关系。而在一般的片上温度传感器中，均采用更加适合IC发展趋势的CMOS工艺实现。但在CMOS工艺中，无论是场效应晶体管、双极晶体管等有源器件还是电阻电容等无源器件，均存在一定的不匹配，这些不匹配是造成不同芯片的片上温度传感器之间输出差别的重要原因。如图1所示，在芯片的实际工作状态下，考虑运算放大器的失调电压VOS以及场效应晶体管M101~M112和双极晶体管Q101~Q103不匹配的情况下，片上温度传感器的输出电压，其中k2与成正相关关系，是由于场效应晶体管M101~M112的不匹配引起的电流误差。所以可以看出，在存在运算放大器失调、场效应晶体管以及双极晶体管不匹配的情况下，片上温度传感器输出电压与温度的关系会受到很大的影响。而由于工艺的影响，不同芯片之间的失调电压和场效应晶体管、双极晶体管的失配参数都存在差别，从而造成不同芯片间片上温度传感器的输出电压存在较大差别。为了消除该输出差别，现有技术中多采用电阻微调（trim）的方法，在一定温度下，通过调节控制芯片输出的可调电阻，以使不同的芯片在该温度下得到一致的输出结果，从而避免器件的不匹配造成的不同片上温度传感器精度差别。但是，一旦芯片温度发生变化，那么在原设定温度下一致的输出结果，在新的温度下仍可能出现较大差别，甚至产生比没有电阻微调下还要大的精度偏差。此外，采用电阻微调技术需要较多的控制位来控制电阻大小，若将控制位都引至片外，会大大增加封装成本。同时，过多控制位的引入，对于高精度的电路设计而言，无疑将引入更多噪声，进一步影响了片上温度传感器以及整体电路的精度。随着CMOS工艺的不断发展以及半导体器件集成度的不断提高，如何消除工艺影响、提供具有一致性输出结果的高精度片上温度传感器，成为集成电路进一步发展急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术是，提供一片上温度传感器，能够消除工艺影响，在不同芯片上具有一致性的输出结果。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一片上温度传感器，包括基本电路单元和斩波单元，其中：基本电路单元包括：电流镜电路，提供所述片上温度传感器工作所需的电流镜电流及所述斩波单元的偏置电流；PTAT电流偏置电路，包括共基极、共集电极的第一、第二双极晶体管；第三双极晶体管，用于产生输出电压。斩波单元包括：斩波控制电路，包括场效应晶体管形成的时钟控制电路；斩波运算放大器，包括场效应晶体管形成的电流镜电路、运放输入电路、运放负载、反相器以及斩波控制开关。作为可选的技术方案，本专利技术提供的片上温度传感器还包括R-C滤波网络，所述R-C滤波网络包括一个或多个电阻-电容对，用于实现输出电压的归一化。进一步地，R-C滤波网络包括7个电阻-电容对。作为可选的技术方案，本专利技术提供的片上温度传感器还包括电阻微调单元，用于实现对输出电压的微调。该电阻微调单元包括：n个电阻，所述电阻串联形成电阻串；（n+1）个场效应晶体管，其中，n≥2且n为整数，所述场效应晶体管漏极连接所述电阻各端，源极连接在一起作为所述电阻微调单元的输出，栅极连接控制电压。进一步地，所述电阻微调单元的输出连接所述R-C滤波网络，所述电阻串连接于所述第三双极晶体管发射极和电流镜电路之间。作为可选的技术方案，本专利技术提供的片上温度传感器还包括电熔丝阵列，用于实现对电阻微调单元的控制。进一步地，电熔丝阵列包括多个电熔丝单元，所述电熔丝单元包括：熔丝，电阻，第一、第二电流源，第一、第二场效应晶体管，以及电压比较器电路，其中：所述第一、第二场效应晶体管的栅极连接Read信号，源极分别经由熔丝和电阻接地，漏极分别连接第一、第二电流源，且分别连接所述电压比较器电路的两输入端，所述电压比较器电路的输出即为所述电熔丝单元的输出信号。进一步地，所述第一、第二电流源输出电流相等，所述电阻阻值为500Ω~1500Ω。进一步地，所述电熔丝阵列包括（n+1）个电熔丝单元，其中，n≥2且n为整数。本专利技术的优点在于，在满足一般片上传感器要求的前提下，采用斩波单元来消除运算放大器失调电压以及场效应晶体管和双极晶体管的不匹配，即：消除片上温度传感器的非理想因素失调电压、失配和噪声。同时，本专利技术提供的片上温度传感器还进一步采用电阻微调单元实现精度的进一步提高，并以电熔丝阵列将电阻微调单元所需的控制位集成在芯片内，有效控制封装成本，并保证了器件的高集成度。此外，本专利技术提供的片上温度传感器还通过R-C滤波网络来实现输出电压的归一化，最终得到消除工艺影响、在不同芯片上具有一致性的输出结果的高精度片上温度传感器。附图说明图1为现有技术中片上温度传感器电路结构图；图2为本专利技术具体实施方式提供的片上温度传感器电路结构图；图3为本专利技术具体实施方式提供的斩波运算放大器电路结构图；图4为本专利技术具体实施方式提供的电阻微调单元电路结构图；图5a为本专利技术具体实施方式提供的电熔丝阵列示结构示意图；图5b为本专利技术具体实施方式提供的电熔丝单元电路结构图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种片上温度传感器，包括基本电路单元和斩波单元，其中：所述基本电路单元包括：电流镜电路，提供所述片上温度传感器工作所需的电流镜电流及所述斩波单元的偏置电流；PTAT电流偏置电路，包括共基极、共集电极的第一、第二双极晶体管；第三双极晶体管，用于产生输出电压；?所述斩波单元包括：斩波控制电路，包括场效应晶体管形成的时钟控制电路；斩波运算放大器，包括场效应晶体管形成的电流镜电路、运放输入电路、运放负载、反相器以及斩波控制开关。

【技术特征摘要】
1.一种片上温度传感器，包括基本电路单元和斩波单元，其中：所述基本电路单元包括：电流镜电路，提供所述片上温度传感器工作所需的电流镜电流及所述斩波单元的偏置电流；PTAT电流偏置电路，包括共基极、共集电极的第一、第二双极晶体管；第三双极晶体管，用于产生输出电压；所述斩波单元包括：斩波控制电路，包括场效应晶体管形成的时钟控制电路；斩波运算放大器，包括场效应晶体管形成的电流镜电路、运放输入电路、运放负载、反相器以及斩波控制开关；所述片上温度传感器还包括电熔丝阵列，用于实现对电阻微调单元的控制；所述电熔丝阵列包括多个电熔丝单元，所述电熔丝单元包括：熔丝，电阻，第一、第二电流源，第一、第二场效应晶体管，以及电压比较器电路，其中：所述第一、第二场效应晶体管的栅极连接Read信号，源极分别经由熔丝和电阻接地，漏极分别连接第一、第二电流源，且分别连接所述电压比较器电路的两输入端，所述电压比较器电路的输出即为所述电熔丝单元的输出信号。2.根据权利要求1所述的片上温度传感器，其特征在于，所述片上温度传感器还包括R-C滤波网络，所述R-C滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮常明，张远，范红梅，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：