关于集成电路（IC）温度传感器

田大龙+万坤

【摘 要】在现代科技迅猛发展的21世纪，人类的活动信息化，传感和检测技术的重要性就显得尤为突出。一切科学研究和生产过程要获取信息，要通过传感器转换为容易传输与处理的电信号。而传感器技术是关于传感器的设计、制造及应用的综合技术，它是传感与控制技术、通信技术和计算机技术三大技术之一。基于此，本文就针对关于集成电路（IC）温度传感器展开探讨。

【关键词】集成电路；优势；温度传感器技术

一、 导言

傳感器是能感知外界信息并能按一定规律将这些信号转换成可用信号的装置。传感器种类繁多，如果按照所测量的物理量进行分类，主要包括温度传感器，湿度传感器等。温度传感器研究开发最早，应用领域也最广泛。集成电路温度传感器具有线性好、抗干扰能力强、灵敏度高、体积小和使用方便等优点。随着微电子技术的快速发展，新型集成电路传感器不断涌现，并广泛应用于科学研究、工农业生产和家用电器等诸多领域。

二 、关于集成电路温度传感器比热敏电阻器具有的优势

温度传感元件几乎是无处不在。从空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品直至PC机、服务器、计算机外设、移动电话手机等，都需要具有温度传感功能的器件。虽然长期以来热敏电阻器是最常用的元件，目前在一些工业应用领域仍然起重要的作用；但是，集成电路温度传感器比起热敏电阻器有着明显的优点，包括准确度更高，体积更小，功耗更低，更加适合在集成电路系统中应用。温度传感器集成电路的电压输出与温度成正比，在相当宽的温度范围内，都具有很高的准确度。反之，热敏电阻器的电压输出与温度不具有线性关系，需通过查表或外加线性化电路，才能得到准确的温度。而且，热敏电阻器在高温区段电压变化率较小，不易分辨，造成温度测量的误差较大。这是热敏电阻器的最大缺点。相比之下，集成电路温度传感器因其电压输出与温度成线性关系，无论在高温或低温范围内，准确度都是一样的。其次，热敏电阻器产品在不同的批次间存在差异，电子响应性能不一致。因而，使用前都需要进行调校，在大量生产时增加成本和时间。集成电路温度传感器的输出阻抗较低，功耗也较低；热敏电阻器通过消耗电流感受温度，功耗较高。而且，长时间感受温度使热敏电阻器本身的温度也升高，测量温度的准确性降低。

三 、关于集成电路IC温度传感器技术

（一）热二极管

热二极管传感器的优点是能与IC工艺兼容，且成本较低。当二极管由一恒定正向电流驱动时，其正向偏置电压随着温度的升高而线性降低，这一性质被用于制作IC温度传感器。若要进一步增加灵敏度，可以采用2个或多个二极管串联的方式，典型的可用温度范围是-100℃～250℃。

（二）热晶体管

在集成电路中，热二极管实际由基极连在一起的双极晶体管构成。普通二极管作为温度传感器，虽然制作工艺简单，但其线性度差。因此，将NPN晶体管的BC结短接，在基极和射极扩散区形成唯一有源结，利用BC结作为感温元件，即通常的2个三极管形式。若先对三极管的两端加上高正向偏置电流，再加上低的正向偏置电流，让这2个电压的电压差ΔVBE仅仅取决于这2个电流的比值，使其接近理想的PN结，其线性度接近理论推导值，从而获得较高的温度检测精度。

（三）遥感传感

将1个遥感热二极管（或者热晶体管）安装于封装之内或安装在发热系统同一芯片上，传感器的其他部分不与系统直接接触，可通过遥感进行控制。传感器还包括A/D转换器、逻辑电路以及读出电路，可向微控制器发送优化系统所需的电热信号。

（四）带隙基准

带隙基准电路是先进IC温度传感器的基本单元，用于产生独立于温度的基准电压VREF。带隙电路提供的基准电压等于硅在零温度时带隙电压的外推值1.205V。Widlar单元作为与温度无关的输出基准电压源，可将带隙电压电路转化为电压正比于绝对温度（VPTAT）的传感器。观察电阻R2两端的电压降，它正比于绝对温度并且被R2/R3放大。而电流正比于绝对温度（IPTAT），视为恒流发生器，与绝对温度呈线性变化。一般地，VPTAT增益为6～20mV/℃的模拟传感器以及IPTAT增益为1～10μA/℃的模拟温度传感器，其精度的变化范围约为0.5%～2%。

（五） CMOS传感器

1.敏感器件。

大多数CMOS（如BiCMOS和BCD）传感器利用了双极晶体管的特性。基本的、精度最高的CMOS温度传感器是硅PN结二极管（即热二极管）。硅双极结型晶体管工作于二极管模式时，可作为温度传感器。标准CMOS传感器工艺主要利用2种类型的寄生双极晶体管作为感温器件。

2.CMOS横向双极晶体管（CLBT）和CMOS纵向双极晶体管（CVBT）。

标准CMOS传感器主要利用CLBT和CVBT这2种类型的寄生双极晶体管作为感温器件。CLBT是分别与NMOS管或PMOS管处于平行位置的横向NPN或PNP晶体管，如果MOS管的栅极处于空置状态，并且对双极管基极-发射结进行正向偏置，双极晶体管就处于工作状态。CVBT以源漏扩散作为发射极，阱作为基区，衬底作为集电极，其性能与双极晶体管较接近，缺点是集电极被固定在芯片的衬底，使用范围受到限制。CLBT以MOSFET的源-漏扩散作为发射极和集电极，沟道作为基区，工序相对简单，且集电极不受限制。由于基区掺杂浓度偏差造成沟道载流子迁移率不均匀，以及侧向扩散导致基区发射极面积和基极宽带无法精确控制，工艺精确控制困难，晶体管的电流增益一般小于5。采用双极晶体管制作的温度传感器存在如下缺陷：当该结构工作在AC电源下，因为衬底漏电流的存在，会出现信号幅度随频率变动的现象。可通过采用具有N型埋层的CMOS偏置源来解决。

（六）脉宽调制（PWM）传感器

脉宽调制（PWM）温度传感器基于温度占空比的输出信号，可以通过VPTAT和频率转换器的电压获得。

四、总结

总之，在传感与控制技术、通信技术和计算机技术三大技术中，传感器是一种获得信息的手段，它将感受或影响规定的被测量，按一定规律转换成可输出信号，以满足信息的传输、存储、处理、显示和控制等要求。在各种测量信号中，由于电信号测量技术和手段发展的较好，其采集、传输、处理、显示最为方便，因而，人们常将各种非电量转换为电量来测量。所以，本文探讨关于集成电路（IC）温度传感器具有重要意义。

参考文献：

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