应用于无线传感网的低功耗CMOS温度传感器*

农高海（百色学院物理与电信工程系，广西百色533000）

应用于无线传感网的低功耗CMOS温度传感器*

农高海*
（百色学院物理与电信工程系，广西百色533000）

为了在较大的温度范围内改善传感器的线性并降低功耗，提出一种新的应用于无线传感网的频率输出温度传感器。采用了多谐振荡器电流转频率电路，由一个双向电流积分器组成，由电压窗口比较器驱动，单独的1.2 V供给电压，并利用低成本的0.18μm CMOS技术制作。实验结果表明，在-40℃到+120℃的温度范围内，该温度传感器表现出高线性的特点，实现了±1℃的误差，敏感性分别为340Hz/℃，功耗为2.1μW，面积为0.02mm2，十分适合无线传感网的各种应用。

低功耗；温度传感器；温度转频率；无线传感器网络（WSN）

在过去的十年中，由于智能设备和环境的发展，传感器市场经历了急剧增长。在医疗监测、工业过程控制、、精准农业或者军事攻击检测等众多领域中，无线传感器网络（WSN）提供了许多新颖独特的应用案例。

无线传感器网络由组织成一个合作网络的多个节点构成。每个节点根据目标应用程序监控不同的参数，用嵌入式单片机（μC）处理所获得的信息，并且通过无线通信协议将数据发送到中央节点（图1）。特别是，无线传感器网络彻底改变了环境智能监测领域，因为它们能够获取各种参数，比如温度、二氧化碳浓度、紫外辐射、压力、或湿度［1-2］。因此，这些网络的每个节点都包括多个传感器，每个传感器测量感兴趣的参数，并且提供一个输出值，输出值不仅依赖于这个参数，而且依赖于其他交叉相关的参数，其中温度尤为重要［3-4］。

图1　无线传感网络示意图

最近有研究提出几种节能（＜5μW）智能CMO温度传感器，以较低的成本和较小的尺寸，在较大的范围内实现监测操作。通常，首先将温度转换为电压，然后通过一个模数转换器（ADC）将温度数字化。在参考文献［5］中，基于0.16μm CMOSBJT的传感器，不准确度达到±0.15℃，在-55℃到+125℃之间，由1.5 V电源供电，面积为0.08mm2。最近的文献已经证明了使用动态阈值的传感设备表现优异［6-7］，可以达到高准确度（±0.4℃），在-40℃到+125℃之间，从0.85 V电源供电，0.16μm CMOS设计的面积为0.085mm2。

然而，这些使用传统ADC电压主导的解决方案所需的数字端口数量较多（在参考文献［5］中15+），不适合应用于诸如WSN的系统中，而使用了低成本嵌入式μC的数字化温度传感器［8］，成为合适的解决方案。具体来说，频率输出的传感器成为最优的选择［9］：温度信息被转换为频率，通向使用单一端口的μC；结合μC内部时钟进行的数字化，分辨率主要取决于频率转代码的转换方法。

已经提出了几种温度转频率的传感器［10-11］。然而，其中有些传感器能耗较大，而那些节能的传感器体现出受限制的准确度（-1.6℃/+3℃［13］，-1.4℃/ +1.3℃［14］）或非常有限的温度范围（+35℃到+45℃）［16］。

因此，本文的目标是设计中等精确度（±1℃）和低功耗（＜5μW，1.2 V单一供电）的频率输出温度传感器，将其整合到WSN中，用于户外的环境监测应用。为了获得一个较大的应用范围，将温度传感范围固定为（-40℃，+120℃。在我们的案例中，上限是+120℃，因为这是用于实验测量的热处理室的极限。为了实现功耗和精确度之间的平衡，有两个基本条件：（1）不使用值极高的电阻器（按照欧姆的顺序）以获得一个完全整合的小型系统；（2）消除外部时钟的需求以防止获得不需要的功率增量和时钟脉冲振荡产生的噪声。为了在延长的操作范围内提高准确度，设计是基于多谐振荡器电流集成方案，而不是以前方法中以电压/电流变频器为基础的振荡器。最后，将提出的传感器在使用嵌入式低成本μC的无线传感器节点中进行了实际测试验证。

1　提出的温度传感器

提出的频率输出传感器的方框图如图2（a）所示：它主要由一个双向电流积分器组成，由电压窗口比较器（VWC）驱动，电路生成电流Icharge和两个比较器电压极限VH和VL。

读出电路部分（图2（b））的操作如下：电流Icharge驱动VH和VL之间的电容C。当C的Vcap达到VH时，SUP=VDD（TUP关闭）和 SDW=Vref=VDD/4（TDW启动），启动放电阶段；当Vcap下降到VL时，SUP=Vref（TUP启动）和SDW=VDD（TDW关闭），启动充电阶段。这个过程被重复，导致振荡的频率由以下公式得出：

图2　温度传感器的结构与电路

电压窗口比较器由两个超低功率的比较器组成，具有自适应偏差，只有当Vcap在对应的比较极限周围时才会增加，以降低功率，同时保留快速的操作［12-13］。

根据式（1），忽略了C导热的约束性，可以采用两种策略获得一个线性温度频率的转换：（1）生成绝对的温度（PTAT）电流Icharge（T）和不受温度约束的极限VH和VL；（2）生成一个不受温度约束的电流Icharge和比较极限差异本文实现的 β温度传感器中，电流Icharge（T）和比较极限VH和VL都是从相同的β倍增器自给偏压基准电路中获得，如图3所示。

图3　提出传感器中生成的电压（VH和VL）和电流示意图

使用理想的平方律设备模型，并且忽视N2的体效应，输出电流将由以下公式得出：

其中K是N1-N2的比例因子，β1=μnCoxW1/L1，其中μn为电子迁移率，Cox为氧化物电容，W1/L1是N1的大小。它的导热系数（CT）定义为可以近似为

因此它的导热行为将主要取决于电阻R的CTR和技术参数αμ，αμ将迁移率受温度约束特性转化为μn≈μ0-αμ，其中下标0对应于在室温下评估的参数T0=298 K。电压VH，β和VL，β通过以式（4）计算得出：

为了获得不受温度约束的电压，d VL，β/d T=0 和d VH，β/d T=0必须履行。R，β1，和K都是固定的，因此VL，β，0=VTH，0（CTVTH+CTR-αμ/T0）/（CTR-αμ/T0）满足第一个条件。若β3=β1［（VL，0-VTH，0）（CTR-αμ/T0）/ （2VTH，0TCVTH］2，则履行第二个条件。因此，如果fβ，0=Icharge，β，0/（2CVβ），那么式（1）中计算得出的输出频率就可以表达为：

2　温度传感器的实现

采用联华电子公司（UMC）的0.18μm CMOS技术来设计该传感器，单独电源为1.2 V。为了优化区域，所有的电阻通过高电阻率多晶硅层来实现（电阻系数ρ=1 037Ω/cm2；导热系数CTR=-8.34×10-4/℃）。使用金属-绝缘体-金属（MIM）电容，TCC=40× 10-6/℃。为了将过程偏差和不匹配效应最小化，使用大尺寸的晶体管长度和电阻宽度，并且采用精心的布局技术。在提出的温度传感器中，N1-N2的换算系数是K=3，大小为（W/L）1=（W/L）3=1.5/12μm，（W/L）4=24/6μm，R=200 kΩ。因此在室温下，电流被设计为Icharge，β，0=350 nA。注意，在传感器的分析中，假设VTH2=VTH1=VTH，晶体管N2的体效应被忽略；在室温下，VTH1，0=322 mV和 VTH2，0≈326.5 mV（VSB2= Icharge，β，R=70mV）。即，对于Icharge，β而言，N2的体效应可以认为是微不足道的。

比较下限是 VL，β，0=0.45 V。选择 β3=β1得到VH，β，0=1.03V=2VL+ΔVTH，而且 CTVH，β=CTVL，β≈0。正如之前所述，晶体管N3（VSB3=VL，β=450mV）的体效应影响VTH3（VTH3=VTH1，0+100mV）的额定数值，但是没有导热效应。集成MIM电容器C=3.1 pF，因此额定输出频率是fβ，0=100 kHz。

3　测量实验

图4显示了提出的温度传感器的照片。该温度传感器占据的有效面积为145×130μm，在1.2V电源供电时，消耗的最大功率为2.1μW。输出频率信号f（T）由信号S2和一个变频器共同测量（图2）。为了执行该测量，变频器偏置为VDD2=3 V，使用ATMega 1 281μC，输出逻辑电平与传感器节点的0～3VμC逻辑电平相匹配。

图4　提出传感器的显微图像

完整的实验装置如图5所示。使用来自Aralab 的Fitoterm E22热处理室，从-40℃到+120℃对温度进行了测量。使用安捷伦53132A脉冲计数器进行频率测量，并且应用ATMega 1281μC来验证在一个定制的传感器节点中使用这些传感器的可行性；频率转代码的转换将稍后讨论。

应用安捷伦34401-A万用表来测量复制电流Icharge和比较极限VH和VL。对于Icharge的特性，使用负载电阻910 kΩ（±0.1%公差和±25×10-6/℃），测量其两端的电压。此外，供给电压在1.0到1.4 V之间变化，以便查看能否实现对VDD变化的抗干扰。

图5　

3.1测量结果

图6（a）显示了本文重点考虑的参数Icharge，β（T）和 ΔVβ=VH，β-VL，β，在温度的范围（-40℃到+ 120℃）内的分布曲线：Icharge，β体现出PTAT的性能，，而Vβ几乎不受温度约束。这些随供给电压变化的参数如图6（b）所示，从此图我们可以确信允许适当操作电路所需的最低供给电压为VDD，min=1.2 V。

图6　

图7（a）显示了在所考虑的温度范围内，额定电压为VDD=1.2 V时，提出的温度传感器的输出频率fβ（T）。对于四个测量芯片样本而言，线性增加体现出460 Hz/℃的恒定敏感度，具有一点小偏移，取决于芯片差异。因此，没有增益误差，只需要通过单点校准来调整这一偏移误差。经过校准之后，传感器输出的准确性在-1.0℃/1.0℃之内，如图7（b）所示。传感器从最低的1.2 V供给电压开始操作，显示出对供给电压变化的抗扰性，当供给电压提升到VDD=1.4 V时，传感器的输出增加不到1%。

图7　

3.2频率到代码的转换

提出的温度传感器被设计应用于WSN中，当在一个传感器节点中操作时，在嵌入式μCATMega1281中进行最终的频率与代码的转换。分辨率主要取决于频率与代码的转换方法和个别单一点校准之后温度转频率的实验曲线的线性。注意，因为最后的数字化是通过测量几个脉冲来实现的。最受欢迎的转换方法是标准的直接计数法（DCM）和间接计数法（ICM）。

我们接下来分析哪一种方法是最合适的。提出的温度传感器的范围在65 kHz～150 kHz之间，还要考虑ATMega 1281μC的特点，有两个相等的16 bit计数器——计数器1和计数器2，和一个参考时钟，其频率为fCK，μC=4MHz。

直接计数法是一种频率测量技术，通常用于高频率中。在固定时间期间，它在于用计数器2计算未知频率f（T）脉冲Nx的数量，由tW=NCK/fCK，μC进行定义，NCK是由计数器1计算，并由用户设置的脉冲数量。然后未知频率是由=Nx·fCK，μC/NCK所决定，可达到的分辨率，由量化误差（ΔNx=±1）所决定，通过 fCK，μC/NCK计算得出，这是所有测量频率的一个常数值。

间接计数法是一种时间测量技术，通常用于低频率中，在未知频率f（T）的n个时段期间（用计数器1计算），它用于计数器2计算时钟频率 fCK，μC的脉冲NCK的数量。因此，频率由=nfCK，μC/NCK决定。分辨率取决于量化误差（ΔNCK=±1），通过f（T）/NCK计算得出，即，可达到的分辨率与目标频率f（T）成比例。然后必须计算温度的分辨率。由于提出的传感器表现出高度线性温度转频率的转换，非线性误差小于量子化误差，而且有效的分辨率取决于量化误差。

因此，直接计数法NCK=216，可实现的最大分辨率为61 Hz，时间窗户tW=16.4ms，对于提出的传感器而言，分辨率为0.13℃。

对于间接计数法，NCK的值接近最大值（216）n= 210。因此，对于提出的温度传感器而言，频率的分辨率为5.5 Hz，即温度为0.012℃，测量时间为15.8 ms，从上面列出的参数来看，我们可以得出这样的结论：对于相等的测量时间，间接计数法允许更高的分辨率数据。然而，获得的分辨率对于本文设计的传感器来说偏高，因此选择直接计数法完成测量，包括偏移误差的校正和从频率到温度的最后转换。获得的误差较低于（±1℃），验证了提出传感器的可行性。

3.3性能对比

最后，在表1中总结了提出温度传感器的性能，并且与其他在公开文献中报告过的传感器性能作比较。提出传感器的精确度略好，消耗低于VTH温度传感器，但其最低VDD为1.2 V。与之前报道过的温度转频率低功耗的温度传感器相比，本文提出的传感器表现出更广泛的温度范围，与其余的传感器保持相似的精确度，同时实现低功耗的需求，且成本更低，最重要的是十分适用于WSN的各种环境测量应用，如便携式温湿度监测。

表1　低功耗CMOS温度传感器的性能总结和比较

4　结论

本文提出了一种新的应用于无线传感网的数字化频率输出温度传感器。依靠一种简单却有效的策略来实现线性温度到频率的转换。1.2 V电源供电和0.18μm CMOS设计的体现出中等精度和低功耗的特点，使其十分适用于无线传感网环境监测解决方案。实验结果表明，在-40℃到+120℃的温度范围内，该温度传感器表现出高线性的特点，实现了±1℃的误差，敏感性分别为340Hz/℃，功耗低于2.1μW，面积为0.02mm2，十分适合无线传感网的各种应用。

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农高海（1973-），男（壮族），广西崇左人，本科，工程师，研究方向为电子线路设计、调试，ngh8100@163.com。

Low Power CMOSTem perature Sensor for Wireless Sensor Networks*

NONG Gaohai*
（The Baise College Physicsand Department of Telecom Engineering，BaiseGuangxi 533000，China）

In order to improve the linearity of the sensor and reduce the power consumption，a new frequency output temperature sensor is proposed for wireless sensor networks.Using the currentmultiharmonic oscillator frequency circuit，mainly composed ofa bidirectional current integrator，driven by awindow voltage comparator，by a single 1.2 V supply voltage，and the low costof0.18μm CMOStechnology production.Experimental resultsshow thatin-40℃to 120℃temperature range，the temperature sensor presented the characteristics of high linearity，realized the error of±1℃and sensitivitywere 340Hz/℃，power consumption is less than 2.1μW，areaof0.02mm2，isvery suitable forwirelesssensornetworks fora variety ofapplications.

low power；temperature sensor；temperature transfer frequency；wireless sensor network（WSN）

TP212.11

A

1005-9490（2016）04-0790-06

项目来源：广西新世纪教改工程立项项目（2012JGB211）

2015-08-29修改日期：2015-10-09

EEACC:2570D；7230；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.008