专利名称：温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种温度传感器。
背景技术：
近年来，通过采用深亚微米技术CMOS电路集成度明显提高，高性能芯片的功率密 度和整体芯片功耗相应地不断增长，进而使得芯片在运用状态下片内温度不断升高，最高 可达120°C，而内部高温会严重影响芯片的性能和可靠性，还会使得CMOS电路的亚阈值漏 电增加，同时也直接限制了器件特征尺寸的一步缩小。因此，有效监视与控制芯片内部温度 成为了集成电路设计的一个重要内容。现有技术中，已提出多种面积小且功耗低的CMOS温度传感器，以在较小的设计代 价下，实现片内温度实时监控。其中CMOS温度传感器较小的面积还使得芯片内部允许集成 多个温度传感器，以探测不同点上的温度分布。以传统的基于环形振荡器的温度传感器为 例进行说明。传统的基于环形振荡器的温度探测技术环形振荡器的周期对工艺变化和供电 电压敏感，但用来采集数据的系统时钟周期对它们却不敏感。利用了振荡器和温度的相关 性，产生一个周期正比于温度的信号，并且利用系统时钟来捕捉这个信号。因此，对于传统 的环振传感器来说，由工艺变化和供电电压引起的误差很大。由于环形振荡器的振荡周期除了和温度有关之外，还和电源电压有很大的关系。 由于电源电压偏差具有动态特性，无法使用传统的校准方法来抵消，而存在电源电压偏差 会造成环形振荡器输出的振荡周期不稳定，因此记录的系统周期存在偏差，造成计算得到 的温度值存在偏差，因此是温度传感器的设计难点。
发明内容
本发明提供一种温度传感器，解决现有技术中因供电电压动态变化造成测量结果 存在误差的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案一种温度传感器，包括第一环形振荡器，包括奇数级反相器前后级联组成的环路，用于输出与温度成正 比的第一振荡周期，其中所述第一环形振荡器中的反相器分为高电压阈值反相器和低电压 阈值反相器两类，其中所述高电压阈值反相器和低电压阈值反相器个数能够使所述第一振 荡周期随供电电压的变化规律接近第二环形振荡器输出的第二振荡周期随供电电压的变 化规律，用以使所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的电压特性相似；所述第二环形振荡器，包括奇数级交叉耦合的反相器对，其中该反相器对前后级 联形成环路，用于生成与温度无关的第二振荡周期；其中每级交叉耦合反相器对包含第一反相器和第二反相器，在如下条件下，所述 第二环形振荡器中的电平信号按照所述第一反相器的反向传播方向产生振荡如果交叉耦合反相器对中的晶体管沟道长度不等，所述第一反相器的PMOS管的沟道宽度大于第二反相器的NMOS管的沟道宽度，且所述第一反相器的NMOS管的沟道宽度 大于第二反相器的PMOS管的沟道宽度；如果交叉耦合反相器对中的晶体管沟道长度相同时，第一反相器的PMOS管的沟 道宽度Wp1和第二反相器的NMOS管的沟道宽度Wn2满足下式条件时 其中，
KI = km(-ri [VDD-Vt(T0) -ατ(Τ-T0)Y-aaT(-r [VDD-Vt(T0)-ατ(Τ-T0)]a~l
T0T0 km 由Μ = //。
y r
Γ _ Γο
/ V
得到；
α 由/ =得到；
Li其中，μ为载流子迁移率，l·^为参考温度下的迁移率，Ttl是参考温度，T为实际温 度，km为工艺参数；VT为阈值电压，Vdd为所述第一、第二反相器中PMOS管漏极所连接的高 电平的电压；α χ表示阈值电压的温度系数；I为晶体管电流，Cra为单位面积的栅氧化层电 容，W为沟道宽度。进一步的，采用0. 13微米工艺的晶体管，α取1. 25。进一步的，所述系统还包括第一计数器，与所述第一环形振荡器相连，内部含有寄存器，用于在所述第一环形 振荡器每振荡一次产生一个上升沿信号时，记录一次，累加的结果计入其内部寄存器中，在 记录的数据达到预先设置的阈值时，触发或门与一个一位的寄存器向用于记录所述第二振 荡周期个数的第二计数器发送输出温度的使能信号；或门与一个一位的寄存器，与所述第一计数器相连，所述一位寄存器的时钟端接 所述第一环形振荡器，数据输入D端接或门的输出，其数据输出Q端接或门的一个输入以及 所述第二计数器的使能控制端en_n，或门的另外一个输入连接所述第一计数器的输出端， 用于使能所述第二计数器上输出温度；所述第二计数器，内部含有寄存器，用于在所述第二环形振荡器每振荡一次产生 一个上升沿信号时，每记录一次，累加的结果计入其内部寄存器中，并在接收到使能信号 后，输出本地内部寄存器记录的温度。进一步的，所述第一计数器用于通过采用输出信息的最高位来标识是否达到所述 阈值，并通过该最高位来触发所述或门与一个一位的寄存器向所述第二计数器发送使能信号。进一步的，所述温度传感器还包括至少一个缓冲器，位于所述第一环形振荡器和 所述第一计数器之间、所述第二环形振荡器和所述第二计数器之间或者上述两个位置，用 于暂时存储接收的信息。本发明提供的技术方案，采用对温度不敏感的第二环形振荡器来实现系统时钟的功能，根据该第二环形振荡器的振荡周期只有电压变化有关的特征，将与温度敏感的环形 振荡器的电压特征调整到与第二环形振荡器相似，使得在测量温度过程中，两个电压特性 相似的环形振荡器互补电压变化带来的影响，达到降低电压变化的影响，减小了电压变化 造成的偏差，提高温度测量的准确性。
图1为本发明提供的温度传感器的结构示意图；图2为本发明提供的第二环形振荡器实施例的电路图；图3为图2所示实施例中反相器对的结构示意图；图4为图3所示实施例中信号流向的示意图；图5为本发明中晶体管饱和电流与温度的关系曲线；图6为本发明提供的温度传感器在不同温度点的模拟结果。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对 本发明作进一步的详细描述。本发明提供一种温度传感器，包括第一环形振荡器，包括奇数级反相器前后级联组成的环路，用于输出与温度成正 比的第一振荡周期，其中所述第一环形振荡器中的反相器分为高电压阈值反相器和低电压 阈值反相器两类，其中所述高电压阈值反相器和低电压阈值反相器个数能够使所述第一振 荡周期随供电电压的变化规律接近第二环形振荡器输出的第二振荡周期随供电电压的变 化规律，用以使所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的电压特性相似；所述第二环形振荡器，包括奇数级交叉耦合的反相器对，其中该反相器对前后级 联形成环路，用于生成与温度无关的第二振荡周期；其中每级交叉耦合反相器对包含第一反相器和第二反相器在如下条件下，所述第 二环形振荡器中的电平信号按照所述第一反相器的反向传播方向产生振荡如果交叉耦合反相器对中的晶体管沟道长度不等，所述第一反相器的PMOS管的 沟道宽度大于第二反相器的NMOS管的沟道宽度，且所述第一反相器的NMOS管的沟道宽度 大于第二反相器的PMOS管的沟道宽度；如果交叉耦合反相器对中的晶体管沟道长度相同时，第一反相器的PMOS管的沟 道宽度Wpi和第二反相器的NMOS管的沟道宽度Wn2满足下式条件时
/■ \kmN-kmP 其中， α 由/ = //. C0厂一.(厂DD - & 广得到；
L其中，μ为载流子迁移率，l·^为参考温度下的迁移率，Ttl是参考温度，T为实际温 度，km为工艺参数；VT为阈值电压，Vdd为所述第一、第二 PMOS管PI、P2的漏极所连接的高 电平的电压；α χ表示阈值电压的温度系数；I为晶体管电流，Cra为单位面积的栅氧化层电 容，W为沟道宽度。本发明使用高阈值和低阈值两种反相器来实现第一环形振荡器。高阈值单元的延 迟对电压较为敏感，低阈值特性相反。设计时，先模拟出环形振荡器_2的电压-周期系数， 然后调整环形振荡器-1中的高、低阈值单元比例，使其电压_周期系数与环形振荡器_2达 到相同值。晶圆代工厂提供了三种具有固定阈值电压的晶体管，本应用实例采用具有0. 33V 和0. 43V阈值电压的两种晶体管，需要说明的是，由于实际中阈值电压大小与尺寸有一定 关系，因此该值为粗略估计。进一步，在本实施例中，采用0. 13微米工艺的晶体管，α取1. 25。可选的，在本实施例中，所述系统还包括第一计数器，与所述第一环形振荡器相连，内部含有寄存器，用于在所述第一环形 振荡器每振荡一次产生一个上升沿信号时，记录一次，累加的结果计入其内部寄存器中，在 记录的数据达到预先设置的阈值时，触发或门与一个一位的寄存器向第二计数器发送使能 信号；或门与一个一位的寄存器，与所述第一计数器相连，所述一位寄存器的时钟端接 所述第一环形振荡器，数据输入D端接或门的输出，其数据输出Q端接或门的一个输入以及 所述第二计数器的使能控制端en_n，或门的另外一个输入连接所述比较器的输出端，用于 使能所述第二计数器上输出温度；所述第二计数器，内部含有寄存器，用于在所述第二环形振荡器每振荡一次产生 一个上升沿信号时，每记录一次，累加的结果计入其内部寄存器中，并在接收到使能信号 后，输出本地内部寄存器记录的温度。进一步的，所述第一计数器用于通过采用输出信息的最高位来标识是否达到所述 阈值，并通过该最高位来触发所述使能信号的发送。进一步的，在本实施例中，所述温度传感器还包括至少一个缓冲器，位于所述第一 环形振荡器和所述第一计数器之间、所述第二环形振荡器和所述第二计数器之间或者上述 两个位置，用于暂时存放接收的信息。其中所述每组反相器对包含两个大小不同的反相器irwl与irwl_r，电平信号按 照沟道宽度大的反相器的反向传播方向输出第二振荡周期。例如，沟道长度不同的两个反相器invl与invl_r，invl的输入接在invl_r的输 出，invl的输出接在irwl_r的输入，invl的晶体管沟道宽度大于irwl_r，以使得信号按照 invl的方向传播。其中Invl又包含晶体管PI(PMOS)和晶体管附(NMOS)，对Pl而言，漏极接输出，栅极接输入，源接高电平；对W而言，漏极接输出，栅极接输入，源接地。其中Invl_r又包含晶体管P2 (PMOS)和N2 (NMOS)，对P2而言，漏极接输入，栅极接 输出，源接高电平；对N2而言，漏极接输入，栅极接输出，源接地。图1为本发明提供一种温度传感器实施例的结构示意图。图1所示温度传感器中， 在环形振荡器-1 (温度敏感)的振荡期间，en_n(低有效计数器使能)被保持在低电平，而 环形振荡器-2 (由交叉耦合单元实现，振荡周期与温度无关)作为系统时钟，计数环形振荡 器_2发出的信号周期数。在一定数量的环形振荡器-1周期后，计数器2上的en_n被比较 �？楹蚈R门置为有效，于是捕捉到的温度信息被储存在第二个计数器的寄存器中。这样， 传感器的输出结果就为和温度成正比的二进制数。寄存器和计数器都会在下一次温度探测 开始之前清零。在另外一种实施例中，可以在环形振荡器和计数器之间插入缓冲器，对接收的数 据进行暂时存储，以消除毛刺，减小负载；计数器1的最高位被作为比较结果来触发使能信 号，这样可以省去专门的比较器电路。图2为本发明提供的第二环形振荡器实施例的电路图，它由N(奇数)级大小相同 的交叉耦合反相器对构成。每一对反相器对包含两个大小不同的反相器，电平信号将会按 照沟道长度大的反相器的反向传播造成振荡。图3为图2所示实施例中反相器对的结构示意图。相邻的两级交叉耦合结构电 路图。交叉耦合结构包括inVl_r(inV2_r与其完全相同)和irwl (irw2与其完全相同)， invl_r的输入端接在irwl的输出端，其输出端接在irwl的输入端。图4为图3所示实施例中信号流向的示意图。该电路结构，实现了具有负温度系 数的TPUI，和具有正温度系数的T·。其中，Tpui为结点OUT由低电平翻转到半电平的时间， Tphl为结点OUT由高电平翻转到半电平的时间。电路的振荡周期与温度无关。图5为本发明中晶体管饱和电流与温度的关系曲线，方块和菱形分别表示PMOS和 NMOS的饱和电流，他们都随着温度的升高而降低。但是他们的差值随着温度的升高而升高， 该差值代表了图4中竞争的Pl和N2的电流形成的等效电流。图6为本发明提供的温度传感器在不同温度点的模拟结果。版图后仿真结果显示，传感器分辨率可达到0.6°C，最大误差在士 1. 1°C之内。对 一种传统的基于环形振荡器的传感器进行了仿真，并在不同电源电压下，和本发明的仿真 结果进行比较0. 9V、1.0V、1. IV。相比传统的传感器，本文所提出的传感器将电源电压引起 的误差减小了 77%。整个传感器的面积小于3600um2。整个传感器在记数状态下的功率为 1200 μ W，但由于采样率可以被控制，因此可以降低平均功率，当采样率将为每秒钟一次时， 功率可降低至0.09 μ W。可以看出，传感器测量结果与实际温度吻合的很好。本发明提供的技术方案，采用对温度不敏感的第二环形振荡器来实现系统时钟的 功能，根据该第二环形振荡器的振荡周期只有电压变化有关的特征，将与温度敏感的环形 振荡器的电压特征调整到与第二环形振荡器相似，使得在测量温度过程中，两个电压特性 相似的环形振荡器互补电压变化带来的影响，达到降低电压变化的影响，减小了电压变化 造成的偏差，提高温度测量的准确性。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的全部或部分步骤可以使用计算机程 序流程来实现，所述计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在相应的硬件平台上(如系统、设备、装置、器件等)执行，在执行时，包括方法实施例的步骤 之一或其组合。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用集成电路来实现，这些步骤可 以被分别制作成一个个集成电路�？椋蛘呓侵械亩喔瞿？榛虿街柚谱鞒傻ジ黾傻� 路�？槔词迪�。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元可以采用通用的计算装置来实现， 它们可以集中在单个的计算装置上，也可以分布在多个计算装置所组成的网络上。上述实施例中的各装置/功能�？�/功能单元以软件功能�？榈男问绞迪植⒆魑� 独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的计算机 可读取存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
9
权利要求
一种温度传感器，其特征在于，包括第一环形振荡器，包括奇数级反相器前后级联组成的环路，用于输出与温度成正比的第一振荡周期，其中所述第一环形振荡器中的反相器分为高电压阈值反相器和低电压阈值反相器两类，其中所述高电压阈值反相器和低电压阈值反相器个数能够使所述第一振荡周期随供电电压的变化规律接近第二环形振荡器输出的第二振荡周期随供电电压的变化规律，用以使所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的电压特性相似；所述第二环形振荡器，包括奇数级交叉耦合的反相器对，其中该反相器对前后级联形成环路，用于生成与温度无关的第二振荡周期；其中每级交叉耦合反相器对包含第一反相器和第二反相器，在如下条件下，所述第二环形振荡器中的电平信号按照所述第一反相器的反向传播方向产生振荡如果交叉耦合反相器对中的晶体管沟道长度不等，所述第一反相器的PMOS管的沟道宽度大于第二反相器的NMOS管的沟道宽度，且所述第一反相器的NMOS管的沟道宽度大于第二反相器的PMOS管的沟道宽度；如果交叉耦合反相器对中的晶体管沟道长度相同时，第一反相器的PMOS管的沟道宽度WP1和第二反相器的NMOS管的沟道宽度WN2满足下式条件时 <mrow><mfrac> <msub><mi>μ</mi><mrow> <mn>0</mn> <mi>N</mi></mrow> </msub> <msub><mi>μ</mi><mrow> <mn>0</mn> <mi>P</mi></mrow> </msub></mfrac><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>T</mi> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mi>kmN</mi><mo>-</mo><mi>kmP</mi> </mrow></msup><mo>·</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>4</mn><mi>V</mi> </mrow> <mi>DD</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mrow><mn>5</mn><mi>V</mi> </mrow> <mi>TN</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mrow><mn>4</mn><mi>V</mi> </mrow> <mi>DD</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mrow><mn>5</mn><mi>V</mi> </mrow> <mi>TP</mi></msub> </mrow></mfrac><mo><</mo><mfrac> <msub><mi>W</mi><mrow> <mi>P</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <msub><mi>W</mi><mrow> <mi>N</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>μ</mi> <mrow><mn>0</mn><mi>N</mi> </mrow></msub><msub> <mi>KI</mi> <mi>N</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>μ</mi> <mrow><mn>0</mn><mi>P</mi> </mrow></msub><msub> <mi>KI</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>其中， <mrow><mi>KI</mi><mo>=</mo><mi>km</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>T</mi> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mi>km</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><msup> <mrow><mo>[</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>DD</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>T</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>α</mi> <mi>T</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mi>α</mi></msup><mo>-</mo><msub> <mi>αα</mi> <mi>T</mi></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>T</mi> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mi>km</mi></msup><msup> <mrow><mo>[</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>DD</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>T</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>α</mi> <mi>T</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mi>α</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup> </mrow>km由 <mrow><mi>μ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>μ</mi> <mn>0</mn></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>T</mi> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mi>km</mi></msup> </mrow>得到；α由 <mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mi>μ</mi><mo>·</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>OX</mi></msub><mo>·</mo><mfrac> <mi>W</mi> <mi>L</mi></mfrac><mo>·</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>DD</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>T</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>α</mi></msup> </mrow>得到；其中，μ为载流子迁移率，μ0为参考温度下的迁移率，T0是参考温度，T为实际温度，km为工艺参数；VT为阈值电压，VDD为所述第一、第二反相器中PMOS管漏极所连接的高电平的电压；αT表示阈值电压的温度系数；I为晶体管电流，COX为单位面积的栅氧化层电容，W为沟道宽度。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于采用0. 13微米工艺的晶体管，α取1. 25。
3.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其特征在于，所述系统还包括第一计数器，与所述第一环形振荡器相连，内部含有寄存器，用于在所述第一环形振荡 器每振荡一次产生一个上升沿信号时，记录一次，累加的结果计入其内部寄存器中，在记录 的数据达到预先设置的阈值时，触发或门与一个一位的寄存器向用于记录所述第二振荡周 期个数的第二计数器发送输出温度的使能信号；或门与一个一位的寄存器，与所述第一计数器相连，所述一位寄存器的时钟端接所述 第一环形振荡器，数据输入D端接或门的输出，其数据输出Q端接或门的一个输入以及所述 第二计数器的使能控制端en_n，或门的另外一个输入连接所述第一计数器的输出端，用于使能所述第二计数器上输出温度；所述第二计数器，内部含有寄存器，用于在所述第二环形振荡器每振荡一次产生一个 上升沿信号时，每记录一次，累加的结果计入其内部寄存器中，并在接收到使能信号后，输 出本地内部寄存器记录的温度。
4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述第一计数器用于通过采用输 出信息的最高位来标识是否达到所述阈值，并通过该最高位来触发所述或门与一个一位的 寄存器向所述第二计数器发送使能信号。
5.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述温度传感器还包括至少一个 缓冲器，位于所述第一环形振荡器和所述第一计数器之间、所述第二环形振荡器和所述第 二计数器之间或者上述两个位置，用于暂时存储接收的信息。
全文摘要
本发明提供一种温度传感器，涉及电路领域；所述系统，包括第一环形振荡器，包括奇数级反相器前后级联组成的环路，用于输出与温度成正比的第一振荡周期，其中所述第一环形振荡器中的反相器分为高电压阈值反相器和低电压阈值反相器两类，其中所述高电压阈值反相器和低电压阈值反相器个数能够使所述第一振荡周期随供电电压的变化规律接近第二环形振荡器输出的第二振荡周期随供电电压的变化规律，用以使所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的电压特性相似；所述第二环形振荡器，包括奇数级交叉耦合的反相器对，其中该反相器对前后级联形成环路，用于生成与温度无关的第二振荡周期。本发明提供的技术方案可应用于温度测量。
文档编号G01K7/01GK101915625SQ20101022659
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者宋晓笛, 帖猛, 程旭 申请人:北京北大众志微系统科技有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
