[发明专利]一种集成温度传感器

说明书

本发明涉及集成电路和传感器领域，具体涉及一种集成温度传感器。包括TCO，片上参考时钟电路以及FDC。本发明利用片上振荡器电路来为集成温度传感器提供时钟信号，以解决现有的集成温度传感器均需求片外时钟源而导致的无法全片上集成的问题，从而降低了集成温度传感器的使用成本。针对电源电压和集成电路制作工艺对片上振荡器的影响，本发明提出采用相同结构的振荡器来实现集成温度传感器中的片上时钟源电路以及AFC，从而利用频率相比的方法来改善集成温度传感器对抗电源电压以及工艺变化的能力。本发明不仅拓展了集成温度传感器的应用范围，还提高了集成温度传感器芯片制作的成品率，为进一步降低其使用成本奠定基础。

技术领域

本发明涉及集成电路和传感器领域，具体涉及一种集成温度传感器，可实现温度传感器全片上集成且增强其抵抗电源电压和工艺变化的能力。

背景技术

随着人类探索领域的拓展，探测仪器经常会工作于较为严苛的温度环境中。如何保证探测仪器可靠的工作是人们重点关心的问题之一。另外，随着人们生活水平的提高，健康成为了人们日益关注的话题。作为检测身体状况是否正常的一项基本指标，体温的实时监测倍受人们重视。这些问题的解决都需依赖温度传感器这一重要部件。然而，随着器件小型化，便携化以及低成本需求的不断增长，使得由基于特殊材料或者薄膜制备而成的分立式温度传感器的应用受到了较大限制。为了应对上述问题，集成温度传感器孕育而生，并且因其良好的可植入性而迅速受到了人们的青睐。

在2005年以前，集成温度传感器均以电压域的工作原理研发制作而成，其具有较高的精度和较小的测量误差。由于模拟-数字信号转换器(Analog-to-digital converter，ADC)是该温度传感器系统的核心部件之一，如图1所示，从而该类集成温度传感器的设计难度较大，使用成本较高。在2005年，一种新工作模式的集成温度传感器被开发出来，其主要依靠量化与温度相关的延迟时间来获得温度信息，称之为时域集成温度传感器，如图2所示。该类集成温度传感器采用时间-数字信号转换器(Time-to-digital converter，TDC)来作为数字输出码的转换器，使温度传感器得以全数字集成成为了可能，有效地降低了集成温度传感器的难度和成本。然而，作为温度感应电路的延迟单元不仅对电源电压以及工艺变化敏感，其延迟时间对温度变化的非线性还会引起较大的温度测量误差，从而该类集成温度传感器的应用在需求较高精度和较低测量误差的场合受到了制约。此外，目前上述任一类型的集成温度传感器都需要使用片外时钟源来为其提供所需的时钟信号，因此，不仅降低了集成温度传感器的便携性，还增加了其使用成本。

发明内容

针对上述已有集成温度传感器存在的问题或不足，本发明提供了一种集成温度传感器，用于实现对温度传感器进行全片上集成，且提高其抵抗电源电压以及工艺变化的能力。

该集成温度传感器，如图4所示，包括温度控制振荡器(Temperature ControlledOscillator，TCO)，片上参考时钟电路以及频率-数字信号转换器(Frequency-to-digitalconverter，FDC)。

所述TCO是由温度感应电路以及模拟-频率信号转换器(Analog-to-frequency，AFC)组成。

温度感应电路，用于感应待测对象温度并将其转换为电信号即电压或电流信号进行输出，输出的电信号为一个不随温度变化和一个随温度变化的模拟信号；不随温度变化的REF模拟信号输出至片上参考时钟电路；随温度变化的模拟信号是一个与绝对温度成正相关PTAT或与绝对温度成负相关CTAT的模拟信号，并输出至AFC中；

AFC由一个片上振荡器构成，其输出频率能够通过偏置信号进行调整，且振荡器中控制振荡频率高低的偏置信号采用温度感电路输出的PTAT或CTAT信号，并将偏置信号转换为频率信号；AFC输出一个表征待测对象温度的频率信号至FDC的计数器。