nW级低功耗片上集成CMOS温度传感器的设计.pdf

摘要

随着科学技术的进步和当今社会发展水平的不断提高，高度集成化、超低功耗、

小尺寸设计和尽可能的低成本成为传感器领域研究的重中之重。而在医疗健康、环

境监控、食品安全以及各类电子设备系统等温度管理领域更是如此。基于上述指标

的严苛要求，CMOS温度传感器，因其微型化、低功耗、小尺寸和低成本等优势集

于一身，大受学术界和工业界的青睐，并在各领域得以广泛应用。同时，在不同的

应用领域，对CMOS温度传感器的设计提出了不同的性能上的挑战。如医疗健康

中对人体温度的监测，主要关注的是温度传感器的高精度，而对感温范围只在一个

小区间内；但在某些工业控制方面，感温范围则有固定的宽量程指标，对精度要求

却相对较低；在一些可穿戴消费类电子领域，聚焦的指标则在于小尺寸和超低功耗。

本文综合当前应用领域对温度传感器的需求，设计出一款nW级低功耗片上

集成CMOS温度传感器。整体由感温模块、电流-频率转换模块和计数器模块组成，

感温模块中亚阈值区电流具有良好的指数关系进行比值感温，实现低功耗和高精

度的设计；电流-频率转换模块中采取倒比管设计的反相器和延时链结合的张弛振

荡器，实现小尺寸和低功耗的设计；计数器模块采取10-17bits的可编程控制设计，

可实现温度分辨率可调。此外，得益于结合比值感温机理与针对MOSFET二级效

应的创新改进，克服了传统频域温度传感器精度差、且随电源扰动明显的缺点，实

现了高精度、低电源灵敏度的设计。基于180nmCMOS工艺，对本文提出的温度

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传感器进行流片，芯片整体面积为0.055mm，整体功耗为20nW。额定工作电压为

1V，在0-100℃的感温范围内，两点校准后的误差为+1.22/-1.09℃，经过系统误差

去除后仅为+0.36/-0.42℃。当电源电压为0.8-1.6V，电源灵敏度为0.85℃/V。该温

度传感器各项指标均达到预期指标要求，并具有一定优势。

关键词：CMOS温度传感器，低功耗，频域，高精度，低电源灵敏度

ABSTRACT

Withtherapidimprovementoftechnologyandsociety,highintegrated,ultra-low

powerconsumption,smallsizeandlow-costareofprimaryimportanceforthefieldof

sensortechnology.Basedonthestrictrequirementsoftheaboveindicators,CMOS

temperaturesensor,duetoitsminiaturization,lowpowerconsumption,smallsizelow

powercostandotheradvantages,iswidelyfavoredbyacademiaandindustryandhas

beenwidelyusedinvariousfields.Meanwhile,thedesignofCMOStemperaturesensor

ischallengedduetobeappliedtodifferentfields.Forinstance,medicalcarerequireshigh

accuracyinlimitedtemperaturerange.Industrialcontrolfieldhashighrequirementon

sensingrangebutpooronaccuracy.Andwearableconsumerelectronicsneedhigh

temperaturerangebutrelativelylowaccuracy.

AnW-levellow-powerandon-chipintegratedCMOSte