一种高精度CMOS 温度传感器自动校准方法*

毋天峰 ，白忠臣 ，张学恒 ，秦水介

（1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵阳550025；2.贵州省光电子技术及应用重点实验室，贵阳550025）

1 引 言

温度作为现实生活中最常用到环境变量之一，与物理学、化学、机械学、生物学等应用领域均有密不可分的相关性，在许多应用中温度的精确测量与控制都是一项至关重要的任务[1]。对于温度传感器来说，最需要关注的指标是精度，它是温度传感器的最基本性能，反映了该传感器输出与实际被测温度间的差距。为实现温度传感芯片的高精度性能，在芯片封装之后进行测试和校准是必不可少的步骤。校准可分为单个校准和成批校准。单个校准将每颗芯片进行单独校准；成批校准则是选取所有芯片中的一部分，用这部分校准的平均值来校准所有芯片。对于CMOS 温度传感器的校准，一般需要多次精细的微调才能获得高精度。因此，单个校准显然具有更高的精度，但其校准过程非常费时，成本过高，并不适用于工业大批量生产的场合。成批校准技术就是为满足工业大批量生产需求而出现的解决方案，但由于工艺偏差是随机误差，每颗芯片均采用同一校准值势必会大幅度降低精度[2-8]。鉴于这一“成本”与“精度”的矛盾，在此提出一种基于逐次逼近算法的电压自动校准方法，以顺应批量生产的自动校准技术需求。为确保此CMOS 温度传感器工作在精确的测试环境中，同时也提出了一种用以营造高精度、高稳定温度测试环境的方法。

2 高稳定性测温环境搭建

温度传感器以温度作为测试对象，故此需要进行热学测试环境的搭建。在此采用在-50℃到160℃温度范围内精度可达±0.05℃的Fluke1551A 手持式温度计来精确测温。采用一个温度可编程控制的高低温交变试验箱来提供-60℃到150℃的温度环境，该温度箱左右两侧均留有便于外部测试使用的圆形开槽，进行高低温测试时该开槽可用橡胶塞密封。为确保被测芯片和参考温度计的实际温度在空间和时间上的一致性，需要将参考温度计Fluke 1551A 的探头尽可能靠近被测芯片；同时在读取温度读数时，让高低温交变试验箱控制温度不变一段时间后，待参考温度计读数长时间不再变化时，再读取被测芯片和参考温度计的读数。

对高精度温度传感芯片的测试，要求测试环境的温度波动非常小，此时测试环境温度波动度应控制在测试所需的温度精度以下。

现有的常见的恒温箱，其系统均采用BTC（强制性的自然通风内均衡控温）方法实现控温调节，即用加热与制冷相平衡的方法进行控温调节。加热功率受控制器控制，其工作原理是控制器通过比较传感器检测到的温度值与仪表设定温度值，经过一系列运算，来调节加热功率从而实现控温。然而，采用这种方法测试，恒温箱内测试环境的温度波动度会在±0.5℃左右，远远超出芯片所要获得的精度（如0.05℃），对获得更高精度的环境温度造成了限制。

为解决测试环境的温度波动度问题，在此利用比热容较大的液体（比如水、油）搭建恒温测试环境。图1 为这一恒温测试装置的三维结构图。

图1 芯片恒温测试装置的三维结构图

如图所示，装置采用导热性好的材料制作一个容器，在容器内部搭建一个恒温测试空间，周围用比热容大的液体包围。容器凹槽内部空间为恒温测试空间，为防止周围环境温度对这一狭小测试空间造成较大影响，可给小容器加上一个盖子。测试时，待测物需要放到容器凹槽内部恒温测试空间进行测试。为解决导线接入问题，可在容器盖子上留一个大小合适的孔，需要的导线都从小孔里接入接出。

3 自动校准方法

3.1 温度传感器自动校准

CMOS 温度传感器的结构框图如图2 所示。模拟感温前端电路产生 ΔVBE和VBE两个温度相关的电压信号。这两个信号包含了所有有效的感温信息，随后由ADC 将这两个电压转换成数字温度读数DOUT，最后通过数字接口电路与微处理器进行通信。

图2 CMOS 温度传感器结构框图

读数DOUT获得过程如下式所示：

其中，α 是使 VREF成为与温度无关的带隙基准电压的增益因子，A 和B 是将μ 值转换成以摄氏度为单位的温度读数的缩放系数。

添加了外部电压参考的温度传感器电路原理图如图3 所示。由于进程扩展，VBE不能在片上实现精确校准，同时VBE的传播又是一个与绝对温度成比例（PTAT, Proportional to Absolute Temperature）的误差[2]，因此需要一个能够调节VBE的校准电路。校准电路原理图如图4 所示。RCAL是一个校准电阻网络，它由7 个二进制权重的电阻串联而成，每个电阻上都并联一个开关，来控制该路电阻是否被接入。让精确偏置电路产生的对β 值敏感的 PTAT 电流流过RCAL，取RCAL两端电压 VCAL作为校准电压来补偿VBE，可得 VCAL为：

其中，电阻R0决定了校准的最小步长；开关 S1用于控制校准电压RCAL的极性；开关S2～S8用于控制校准电压 VCAL的大小；β 为前向电流增益。VCAL和 VBE同时输入到DSM（Delta-Sigma Modulator），需要一个单片机来实现自动校准，可在芯片外部设置实现。

图3 带外部电压参考的温度传感器电路

图4 校准电路原理图

自动校准方法的算法流程图如图5 所示。使用此法实现自动校准的具体过程如下：

1) 根据图3，通过开关 SCAL的选择，外部精确参考电压VEXT取代VBE被送入DSM 模数转换器完成一次转换。假定外部参考电压VEXT足够精确，TREF则足够精确且可作为温度参考。片外的MCU 完成这个计算过程，然后将TREF存储起来。

2) SCAL切换回去，将 VBE送入 DSM，传感器进入正常工作模式。初始态下，S1置为1 ，表示正的VCAL，S2～S8全部被置为 1，表示 RCAL＝0。DSM 模数转换器完成一次转换，输出为μ1。经过合适的比列缩放，得到开氏温度 T1。MCU 对 TREF和T1进行比较，来决定S1中的符号标志位为1 还是为0。这一过程决定了校准电压的极性，即送入 DSM 的校准电压为正还是为负。

3) S1中的符号标志位被确定了后，最高有效位S2被置为 0，同时其他位保持不变。DSM 模数转换器完成一次转换，输出为μ2并得到温度T2。MCU 对TREF和T2进行比较，来决定S2是保持不变还是翻转。重复上述过程直到最低有效位S8也被确定。当S2～S8都被确定后，校准电压的大小也就被确定了。此时，整个校准过程也就完成了。

3.2 温度传感器芯片测试与校准

为验证所提出的自动校准方法的有效性，在Global Foundries 的 0.18μm 标准 CMOS 工艺下进行流片测试。

图5 自动校准方法算法流程图

在芯片校准前，首先要测试温度传感器芯片的温度系数。在高低温交变试验箱设定的多组温度下，记为 T0、T1、T2…，在逻辑分析仪上求出前 10000 个时钟周期对应的占空比，记为 μ0、μ1、μ2…，然后求出其线性回归的拟合直线。

测试过程中需要模拟电源地和数字电源，工作电压为1.35V，分别由电压源供电；20 kHz 的采样时钟通过信号发生器提供；复位信号采用一个开关来手动控制；DSM 的输出采用逻辑分析仪来采集；精确的外部参考电压源通过最大误差为±5 μV 的Keithley 2400 数字源表来提供。

每次采集数据前需要将复位端接地之后等待3～5 秒，待其内部电容充分放电，再接1.35 V，之后在逻辑分析仪上收集输出端口的数据。收集的数据只需要前10000 个数字，统计里面1 数字的占比量，记为μ 值。需测多组μ 值求平均数且满足μ 以万分之一精度，即在小数点后第四位上变化。

以室温环境下的测试为例。通过逻辑分析仪测出对应的占空比，记为 μ00、μ01、μ02…，并求出其平均值，记为μREF，后带入相关公式求出室温下对应的参考温度，记为TREF。可以在高低温交变试验箱内设定多组不同测试环境温度，并求出不同温度下的TREF。采用逐次逼近法从 S2～S8＝ 1111111 或者从 S2～S8＝0000000 找到最接近TREF的点，即为校准点。

4 实验结果

随机选取三组芯片进行测试及校准，并给出对应的实验结果。首先需测出CMOS 温度传感器芯片的温度关系T＝676.5180 μ-307.9624。然后对芯片进行测试校准。测试得出三组芯片的S1皆为0，表示校准电压VCAL的极性均为负。三组芯片的详细校准结果数据由表1 给出。

表1 三组芯片校准结果

由表1 可知，三组芯片在室温下通过校准后，精度得到有效提升，校准后误差小于0.1℃。

5 结 束 语

在新设计的方法中，利用比热容较大的液体搭建恒温测试环境，可使测试环境波动度稳定在所需精度内（如0.05℃），以此实现高稳定温度测试环境的营造。在此方法的支持下，提出一种CMOS 温度传感器自动校准技术，利用电压校准、单片机和微调网络，可以实现逐次逼近的自动校准。该技术可实现机器自动校准，具有校准时间短、精度合理、温度覆盖范围广，校准功耗极低等优点。在室温下进行实验，通过2 秒的自动校准，CMOS 温度传感器校准之后的误差值显著较小，达到了设计的目的。