溫度傳感器器件及感測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本公開涉及一種包含溫度傳感器的集成電子器件。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，溫度傳感器具有多種應用。例如，它們可以是獨立部件，其在輸出提供 環(huán)境的溫度值。此外，它們可以是包括其性能隨溫度變化的其他元件的更復雜系統(tǒng)的部件。 這些變化經常是不期望的，所以檢測現(xiàn)有溫度并補償性能變化并使它們與溫度無關是有用 的。而且當隨著溫度的性能變化是復雜系統(tǒng)的預期效果時，在任何情況下具有局部絕對溫 度值的直接信息經常是有用的。
[0003] 溫度傳感器構建為多種不同的方式，特別是根據(jù)應用和它們是否是獨立型或它們 是集成在更復雜的系統(tǒng)中。在前一種情況下，事實上，經常不存在尺寸問題，而且可以使用 更簡單但是更笨重的方案:然而在后一種情況下，除尺寸和消耗之外，與系統(tǒng)的其它部件的 集成實施方式是重要的。
[0004] 在溫度傳感器集成在電子電路中的情況下，已知的是，利用雙極型晶體管的基極 發(fā)射極電壓的溫度易變性。事實上，眾所周知，此電壓具有每攝氏度幾毫伏的變化。通過使 用感測電路來檢測電壓變化并放大，用適當算法可以確定電子電路內的局部溫度。此方案， 盡管極其廣泛采用，并不是沒有缺點，例如由于需要為M0S技術電路實施雙極部件和/或對 溫度傳感器和關聯(lián)部件的高消耗，例如與溫度傳感器關聯(lián)的調節(jié)和放大級。此外，此方案的 缺點是引起高噪聲，其可能是某些應用中的缺點。另一方面，已知方案的消耗等級越高，最 大可接受噪聲的等級越低。尤其地，此方案不總是解決問題，因為基極發(fā)射極電壓讀數(shù)通常 與參考值相比較，參考值通過不同的級產生，例如帶隙電路，其也可隨著溫度改變。此性能 在輸出信號中引入誤差，所以溫度值讀數(shù)可能不具有所期望的精確度。
[0005] 在一些已知方案中，感測電路包括電阻性的橋，用于補償參考元件或電路中的溫 度依賴性。然而，目前為止，此方案也不是沒有缺點，因為它引入不期望的消耗水平。
[0006] 更創(chuàng)新的方案包括，例如，MEMS(微型機電系統(tǒng))技術的使用，其構建了當溫度變化 時可以承受機械形變的元件（例如參見" A Micromachined Silicon Capacitive Temperature Sensor for Radiosonde Applications"，Hong-Yu Ma，Qing_An Huang，Ming Qin，Tingting Lu，E-ISBN:978-1-4244-5335-1/09，2009IEEE)。其他已知的方案是基于使 用新材料（例如參見 "High-performance bulk silicon interdigital capacitive temperature sensor based on graphene oxide"，Chun-Hua Cai and Ming Qin， ELECTRONICS LETTERS，28th March 2013V〇1.49N〇.7，ISSN:0013-5194)。
[0007] 然而，這些方案難以整合在數(shù)字系統(tǒng)中，因此并非普遍地可適用。 【實用新型內容】
[0008] 本公開的一個目標是提供一種溫度傳感器，其克服了現(xiàn)有技術的缺陷。
[0009] 根據(jù)本公開，集成電子器件利用以下事實，即反向偏置的PN結具有以已知方式隨 溫度變化的等效電容。此電容可以與提供的參考電容相比較，以具有微不足道的溫度依賴 性。已知的感測電路，例如切換電容器運算放大器，然后可以檢測隨溫度的電容變化并輸出 一電壓，該電壓隨電容變化而直接變化。
[0010] 本實用新型的實施例提出一種溫度傳感器器件，包括:感測元件，所述感測元件集 成在半導體材料芯片中并對溫度敏感；以及耦合到所述感測元件的感測級，其中所述感測 元件包括被配置為反向偏置的結型的感測二極管。
[0011] 在一個實施例中，所述感測二極管具有耦合到偏置節(jié)點的陰極端子和耦合到所述 讀取級的第一輸入的陽極端子，其中所述偏置節(jié)點耦合到電壓源，所述電壓源被配置為偏 置節(jié)點提供相對于所述讀取級的第一輸入是正的電壓。
[0012] 在一個實施例中，進一步包括參考電容元件，所述參考電容元件具有親合到所述 偏置節(jié)點的第一端子和耦合到所述讀取級的第二輸入的第二端子。
[0013] 在一個實施例中，進一步包括:補償二極管，所述補償二極管具有耦合到所述讀取 級的所述第二輸入的陽極端子和耦合到參考電位線的陰極端子；以及對稱電容器，所述對 稱電容器具有耦合到所述讀取級的所述第一輸入的第一端子和耦合到所述參考電位線的 Λ-Λ---上山 弟>棲子。
[0014] 在一個實施例中，所述讀取級是開關電容器差分放大器。
[0015]本實用新型的實施例還提出一種感測系統(tǒng)，包括:感測元件，所述感測元件包括感 測結型二極管；以及耦合到所述感測元件的讀取電路，所述讀取級被配置為反向偏置所述 感測結型二極管并檢測所述感測結型二極管的結電容，并基于檢測的所述結電容產生輸出 信號，所述輸出信號指示含有所述結型二極管的環(huán)境的溫度。
[0016] 在一個實施例中，進一步包括補償電路，所述補償電路耦合到所述感測結型二極 管并配置為補償穿過所述感測結型二極管的漏電流。
[0017] 在一個實施例中，所述補償電路包括補償二極管，所述補償二極管形成為具有約 等于所述感測結型二極管的所述漏電流的泄漏值。
[0018] 在一個實施例中，所述讀取電路包括開關電容器差分放大器，其產生具有以下值 的輸出信號：
[0019]
[0020] 其中△ V是施加到所述感測結型二極管的偏置電壓值的變化，△ C是所述感測結型 二極管的結電容和所述開關電容器差分放大器的參考電容器的值之間的差值，并且電容Ci 是所述開關電容器差分放大器的反饋電容器的值。
[0021] 在一個實施例中，所述開關電容器差分放大器包括完全差分放大器。
[0022] 在一個實施例中，所述感測結型二極管具有耦合到偏置節(jié)點的陰極和耦合到所述 讀取電路的第一輸入的陽極，其中所述偏置節(jié)點被耦合到電壓源，所述電壓源被配置為對 所述偏置節(jié)點提供相對于所述讀取電路的第一輸入是正的電壓。
【附圖說明】
[0023] 為了更好地理解本實用新型，現(xiàn)在參考附圖純粹地通過非限制性示例描述其優(yōu)選 實施例，其中：
[0024]圖1示出了結型二極管的結電容Cj作為所施加電壓Vd的函數(shù)的繪圖；
[0025]圖2示出了結型二極管的結電容Cj作為溫度的函數(shù)的變化；
[0026] 圖3示出了根據(jù)本公開的第一實施例的本器件的簡化電路圖；
[0027] 圖4示出了圖3的電路中的電信號的繪圖；
[0028] 圖5示出了根據(jù)本公開的第二實施例的本器件的簡化電路圖；
[0029] 圖6示出了圖5的電路中的電信號的繪圖；
[0030] 圖7示出了圖5的電路的輸出電壓V。的繪圖；
[0031]圖8示出了根據(jù)圖3和5的實施例的溫度傳感器的可行實施方式。
【具體實施方式】
[0032]根據(jù)本公開實施例的本傳感器利用對反向偏置的PN結二極管的電容的溫度依賴 性。
[0033]事實上，如已知的，反向偏置的PN二極管的接觸電位(或內置電壓)Vbi由此給出：
[0034]
v 1 f
[0035] 其中K是玻耳茲曼常數(shù)，T是絕對溫度中的溫度，q是電子電荷，Να是受體原子的濃 度，Nd是供體原子的濃度，以及m(t)是ΡΝ二極管中的本征載流子的濃度。特別地，本征載流 子的濃度m取決于溫度T，其基于Eq. (2):
[0036]
(2)
[0037 ]其中ECrff是用于二極管的集成的材料的能隙。
[0038]在PN二極管中，通過向其中施加反向電壓Vd，電荷Qj儲存在結上：
[0039]
[0040]其中es是半導體的介電常數(shù)。如需要注意的，累積的電荷(^取決于接觸電位VblT 的溫度，以及取決于反向電壓Vd。
[0041] 因此二極管的結電容Cj是：
[0042]
[0043]其中A是PN結的面積。
[0044]在實踐中，在硅襯底中形成的PN二極管具有結電容，其取決于偏置電壓和溫度，如 圖1(具有實線）和圖2分別所示，分別于恒溫(T = 25°C)和恒定反向偏壓(Vr = 0.625V)下計 算。圖1還