应用于MEMS基频率源的CMOS温度传感器

黄继伟， 陈星, 王科平

(1. 福州大学物理与信息工程学院， 福建 福州 350108; 2. 天津大学微电子学院， 天津 300072)

0 引言

随着人类社会信息化、 网络化、 智能化进程， 越来越多的电子产品进入了人们的生产生活中, 而几乎所有的电子系统都需要基准频率源. 近年来基于MEMS( micro-electro-mechanical system)的频率源由于其体积小， 谐振频率高等原因， 成为替代石英晶体的一大热门研究[1-4]. 但是MEMS基的频率源本身温漂系数较大， 如BAW(bulk acoustic wave resonator )器件的温漂系数为5.00 × 10-4[1]， DETF(double-ended-tuning fork )器件的温漂系数也超过了4.80 × 10-4[2]， 截面Lame模式谐振器的温度系数达到了1.45 × 10-3[3]， 而目前研究最为热门的FBAR(film bulk acoustic resonator)器件未经温度补偿之前的温度系数甚至超过2.00 × 10-3[4]. 为使这些基于MEMS的频率源能在-55～125 ℃温度范围内提供稳定的基准频率， 就必须测量片上温度， 再根据温度信息进行相应的频率补偿， 实现较小的温漂.

传统温度传感器， 如热敏电阻、 铂电阻等因为体积大， 需要额外读取电路， 无法与CMOS工艺兼容实现片上集成， 并不适于当前需求. 而CMOS温度传感器则容易实现在片测温. 本研究以双极型晶体管(bipolar junction transistor， BJT)作为测温核心器件， 设计了一种测温范围为-55～125 ℃， 精度为± 0.5 ℃的片上CMOS温度传感器. 该温度传感器在片内集成了控制时钟电路， 只需输入一个基本时钟信号即可正常驱动， 大大降低了应用的复杂程度， 降低了与MEMS基频率源电路一起实现片上集成的难度.

1 BJT基温度传感器的基本原理

温度传感器的工作机制是将温度信号转换为数字信号输出， 因此需要获取与温度相关的信号， 通过ADC转换为数字信号……