應用于無線傳感網的低功耗CMOS溫度傳感器*

農高海（百色學院物理與電信工程系，廣西百色533000）

應用于無線傳感網的低功耗CMOS溫度傳感器*

農高海*
（百色學院物理與電信工程系，廣西百色533000）

為了在較大的溫度范圍內改善傳感器的線性并降低功耗，提出一種新的應用于無線傳感網的頻率輸出溫度傳感器。采用了多諧振蕩器電流轉頻率電路，由一個雙向電流積分器組成，由電壓窗口比較器驅動，單獨的1.2 V供給電壓，并利用低成本的0.18μm CMOS技術制作。實驗結果表明，在-40℃到+120℃的溫度范圍內，該溫度傳感器表現出高線性的特點，實現了±1℃的誤差，敏感性分別為340Hz/℃，功耗為2.1μW，面積為0.02mm2，十分適合無線傳感網的各種應用。

低功耗；溫度傳感器；溫度轉頻率；無線傳感器網絡（WSN）

在過去的十年中，由于智能設備和環(huán)境的發(fā)展，傳感器市場經歷了急劇增長。在醫(yī)療監(jiān)測、工業(yè)過程控制、、精準農業(yè)或者軍事攻擊檢測等眾多領域中，無線傳感器網絡（WSN）提供了許多新穎獨特的應用案例。

無線傳感器網絡由組織成一個合作網絡的多個節(jié)點構成。每個節(jié)點根據目標應用程序監(jiān)控不同的參數，用嵌入式單片機（μC）處理所獲得的信息，并且通過無線通信協(xié)議將數據發(fā)送到中央節(jié)點（圖1）。特別是，無線傳感器網絡徹底改變了環(huán)境智能監(jiān)測領域，因為它們能夠獲取各種參數，比如溫度、二氧化碳濃度、紫外輻射、壓力、或濕度［1-2］。因此，這些網絡的每個節(jié)點都包括多個傳感器，每個傳感器測量感興趣的參數，并且提供一個輸出值，輸出值不僅依賴于這個參數，而且依賴于其他交叉相關的參數，其中溫度尤為重要［3-4］。

圖1　無線傳感網絡示意圖

最近有研究提出幾種節(jié)能（＜5μW）智能CMO溫度傳感器，以較低的成本和較小的尺寸，在較大的范圍內實現監(jiān)測操作。通常，首先將溫度轉換為電壓，然后通過一個模數轉換器（ADC）將溫度數字化。在參考文獻［5］中，基于0.16μm CMOSBJT的傳感器，不準確度達到±0.15℃，在-55℃到+125℃之間，由1.5 V電源供電，面積為0.08mm2。最近的文獻已經證明了使用動態(tài)閾值的傳感設備表現優(yōu)異［6-7］，可以達到高準確度（±0.4℃），在-40℃到+125℃之間，從0.85 V電源供電，0.16μm CMOS設計的面積為0.085mm2。

然而，這些使用傳統(tǒng)ADC電壓主導的解決方案所需的數字端口數量較多（在參考文獻［5］中15+），不適合應用于諸如WSN的系統(tǒng)中，而使用了低成本嵌入式μC的數字化溫度傳感器［8］，成為合適的解決方案。具體來說，頻率輸出的傳感器成為最優(yōu)的選擇［9］：溫度信息被轉換為頻率，通向使用單一端口的μC；結合μC內部時鐘進行的數字化，分辨率主要取決于頻率轉代碼的轉換方法。

已經提出了幾種溫度轉頻率的傳感器［10-11］。然而，其中有些傳感器能耗較大，而那些節(jié)能的傳感器體現出受限制的準確度（-1.6℃/+3℃［13］，-1.4℃/ +1.3℃［14］）或非常有限的溫度范圍（+35℃到+45℃）［16］。

因此，本文的目標是設計中等精確度（±1℃）和低功耗（＜5μW，1.2 V單一供電）的頻率輸出溫度傳感器，將其整合到WSN中，用于戶外的環(huán)境監(jiān)測應用。為了獲得一個較大的應用范圍，將溫度傳感范圍固定為（-40℃，+120℃。在我們的案例中，上限是+120℃，因為這是用于實驗測量的熱處理室的極限。為了實現功耗和精確度之間的平衡，有兩個基本條件：（1）不使用值極高的電阻器（按照歐姆的順序）以獲得一個完全整合的小型系統(tǒng)；（2）消除外部時鐘的需求以防止獲得不需要的功率增量和時鐘脈沖振蕩產生的噪聲。為了在延長的操作范圍內提高準確度，設計是基于多諧振蕩器電流集成方案，而不是以前方法中以電壓/電流變頻器為基礎的振蕩器。最后，將提出的傳感器在使用嵌入式低成本μC的無線傳感器節(jié)點中進行了實際測試驗證。

1　提出的溫度傳感器

提出的頻率輸出傳感器的方框圖如圖2（a）所示：它主要由一個雙向電流積分器組成，由電壓窗口比較器（VWC）驅動，電路生成電流Icharge和兩個比較器電壓極限VH和VL。

讀出電路部分（圖2（b））的操作如下：電流Icharge驅動VH和VL之間的電容C。當C的Vcap達到VH時，SUP=VDD（TUP關閉）和 SDW=Vref=VDD/4（TDW啟動），啟動放電階段；當Vcap下降到VL時，SUP=Vref（TUP啟動）和SDW=VDD（TDW關閉），啟動充電階段。這個過程被重復，導致振蕩的頻率由以下公式得出：

圖2　溫度傳感器的結構與電路

電壓窗口比較器由兩個超低功率的比較器組成，具有自適應偏差，只有當Vcap在對應的比較極限周圍時才會增加，以降低功率，同時保留快速的操作［12-13］。

根據式（1），忽略了C導熱的約束性，可以采用兩種策略獲得一個線性溫度頻率的轉換：（1）生成絕對的溫度（PTAT）電流Icharge（T）和不受溫度約束的極限VH和VL；（2）生成一個不受溫度約束的電流Icharge和比較極限差異本文實現的 β溫度傳感器中，電流Icharge（T）和比較極限VH和VL都是從相同的β倍增器自給偏壓基準電路中獲得，如圖3所示。

圖3　提出傳感器中生成的電壓（VH和VL）和電流示意圖

使用理想的平方律設備模型，并且忽視N2的體效應，輸出電流將由以下公式得出：

其中K是N1-N2的比例因子，β1=μnCoxW1/L1，其中μn為電子遷移率，Cox為氧化物電容，W1/L1是N1的大小。它的導熱系數（CT）定義為可以近似為

因此它的導熱行為將主要取決于電阻R的CTR和技術參數αμ，αμ將遷移率受溫度約束特性轉化為μn≈μ0-αμ，其中下標0對應于在室溫下評估的參數T0=298 K。電壓VH，β和VL，β通過以式（4）計算得出：

為了獲得不受溫度約束的電壓，d VL，β/d T=0 和d VH，β/d T=0必須履行。R，β1，和K都是固定的，因此VL，β，0=VTH，0（CTVTH+CTR-αμ/T0）/（CTR-αμ/T0）滿足第一個條件。若β3=β1［（VL，0-VTH，0）（CTR-αμ/T0）/ （2VTH，0TCVTH］2，則履行第二個條件。因此，如果fβ，0=Icharge，β，0/（2CVβ），那么式（1）中計算得出的輸出頻率就可以表達為：

2　溫度傳感器的實現

采用聯華電子公司（UMC）的0.18μm CMOS技術來設計該傳感器，單獨電源為1.2 V。為了優(yōu)化區(qū)域，所有的電阻通過高電阻率多晶硅層來實現（電阻系數ρ=1 037Ω/cm2；導熱系數CTR=-8.34×10-4/℃）。使用金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容，TCC=40× 10-6/℃。為了將過程偏差和不匹配效應最小化，使用大尺寸的晶體管長度和電阻寬度，并且采用精心的布局技術。在提出的溫度傳感器中，N1-N2的換算系數是K=3，大小為（W/L）1=（W/L）3=1.5/12μm，（W/L）4=24/6μm，R=200 kΩ。因此在室溫下，電流被設計為Icharge，β，0=350 nA。注意，在傳感器的分析中，假設VTH2=VTH1=VTH，晶體管N2的體效應被忽略；在室溫下，VTH1，0=322 mV和 VTH2，0≈326.5 mV（VSB2= Icharge，β，R=70mV）。即，對于Icharge，β而言，N2的體效應可以認為是微不足道的。

比較下限是 VL，β，0=0.45 V。選擇 β3=β1得到VH，β，0=1.03V=2VL+ΔVTH，而且 CTVH，β=CTVL，β≈0。正如之前所述，晶體管N3（VSB3=VL，β=450mV）的體效應影響VTH3（VTH3=VTH1，0+100mV）的額定數值，但是沒有導熱效應。集成MIM電容器C=3.1 pF，因此額定輸出頻率是fβ，0=100 kHz。

3　測量實驗

圖4顯示了提出的溫度傳感器的照片。該溫度傳感器占據的有效面積為145×130μm，在1.2V電源供電時，消耗的最大功率為2.1μW。輸出頻率信號f（T）由信號S2和一個變頻器共同測量（圖2）。為了執(zhí)行該測量，變頻器偏置為VDD2=3 V，使用ATMega 1 281μC，輸出邏輯電平與傳感器節(jié)點的0～3VμC邏輯電平相匹配。

圖4　提出傳感器的顯微圖像

完整的實驗裝置如圖5所示。使用來自Aralab 的Fitoterm E22熱處理室，從-40℃到+120℃對溫度進行了測量。使用安捷倫53132A脈沖計數器進行頻率測量，并且應用ATMega 1281μC來驗證在一個定制的傳感器節(jié)點中使用這些傳感器的可行性；頻率轉代碼的轉換將稍后討論。

應用安捷倫34401-A萬用表來測量復制電流Icharge和比較極限VH和VL。對于Icharge的特性，使用負載電阻910 kΩ（±0.1%公差和±25×10-6/℃），測量其兩端的電壓。此外，供給電壓在1.0到1.4 V之間變化，以便查看能否實現對VDD變化的抗干擾。

圖5　

3.1測量結果

圖6（a）顯示了本文重點考慮的參數Icharge，β（T）和 ΔVβ=VH，β-VL，β，在溫度的范圍（-40℃到+ 120℃）內的分布曲線：Icharge，β體現出PTAT的性能，，而Vβ幾乎不受溫度約束。這些隨供給電壓變化的參數如圖6（b）所示，從此圖我們可以確信允許適當操作電路所需的最低供給電壓為VDD，min=1.2 V。

圖6　

圖7（a）顯示了在所考慮的溫度范圍內，額定電壓為VDD=1.2 V時，提出的溫度傳感器的輸出頻率fβ（T）。對于四個測量芯片樣本而言，線性增加體現出460 Hz/℃的恒定敏感度，具有一點小偏移，取決于芯片差異。因此，沒有增益誤差，只需要通過單點校準來調整這一偏移誤差。經過校準之后，傳感器輸出的準確性在-1.0℃/1.0℃之內，如圖7（b）所示。傳感器從最低的1.2 V供給電壓開始操作，顯示出對供給電壓變化的抗擾性，當供給電壓提升到VDD=1.4 V時，傳感器的輸出增加不到1%。

圖7　

3.2頻率到代碼的轉換

提出的溫度傳感器被設計應用于WSN中，當在一個傳感器節(jié)點中操作時，在嵌入式μCATMega1281中進行最終的頻率與代碼的轉換。分辨率主要取決于頻率與代碼的轉換方法和個別單一點校準之后溫度轉頻率的實驗曲線的線性。注意，因為最后的數字化是通過測量幾個脈沖來實現的。最受歡迎的轉換方法是標準的直接計數法（DCM）和間接計數法（ICM）。

我們接下來分析哪一種方法是最合適的。提出的溫度傳感器的范圍在65 kHz～150 kHz之間，還要考慮ATMega 1281μC的特點，有兩個相等的16 bit計數器——計數器1和計數器2，和一個參考時鐘，其頻率為fCK，μC=4MHz。

直接計數法是一種頻率測量技術，通常用于高頻率中。在固定時間期間，它在于用計數器2計算未知頻率f（T）脈沖Nx的數量，由tW=NCK/fCK，μC進行定義，NCK是由計數器1計算，并由用戶設置的脈沖數量。然后未知頻率是由=Nx·fCK，μC/NCK所決定，可達到的分辨率，由量化誤差（ΔNx=±1）所決定，通過 fCK，μC/NCK計算得出，這是所有測量頻率的一個常數值。

間接計數法是一種時間測量技術，通常用于低頻率中，在未知頻率f（T）的n個時段期間（用計數器1計算），它用于計數器2計算時鐘頻率 fCK，μC的脈沖NCK的數量。因此，頻率由=nfCK，μC/NCK決定。分辨率取決于量化誤差（ΔNCK=±1），通過f（T）/NCK計算得出，即，可達到的分辨率與目標頻率f（T）成比例。然后必須計算溫度的分辨率。由于提出的傳感器表現出高度線性溫度轉頻率的轉換，非線性誤差小于量子化誤差，而且有效的分辨率取決于量化誤差。

因此，直接計數法NCK=216，可實現的最大分辨率為61 Hz，時間窗戶tW=16.4ms，對于提出的傳感器而言，分辨率為0.13℃。

對于間接計數法，NCK的值接近最大值（216）n= 210。因此，對于提出的溫度傳感器而言，頻率的分辨率為5.5 Hz，即溫度為0.012℃，測量時間為15.8 ms，從上面列出的參數來看，我們可以得出這樣的結論：對于相等的測量時間，間接計數法允許更高的分辨率數據。然而，獲得的分辨率對于本文設計的傳感器來說偏高，因此選擇直接計數法完成測量，包括偏移誤差的校正和從頻率到溫度的最后轉換。獲得的誤差較低于（±1℃），驗證了提出傳感器的可行性。

3.3性能對比

最后，在表1中總結了提出溫度傳感器的性能，并且與其他在公開文獻中報告過的傳感器性能作比較。提出傳感器的精確度略好，消耗低于VTH溫度傳感器，但其最低VDD為1.2 V。與之前報道過的溫度轉頻率低功耗的溫度傳感器相比，本文提出的傳感器表現出更廣泛的溫度范圍，與其余的傳感器保持相似的精確度，同時實現低功耗的需求，且成本更低，最重要的是十分適用于WSN的各種環(huán)境測量應用，如便攜式溫濕度監(jiān)測。

表1　低功耗CMOS溫度傳感器的性能總結和比較

4　結論

本文提出了一種新的應用于無線傳感網的數字化頻率輸出溫度傳感器。依靠一種簡單卻有效的策略來實現線性溫度到頻率的轉換。1.2 V電源供電和0.18μm CMOS設計的體現出中等精度和低功耗的特點，使其十分適用于無線傳感網環(huán)境監(jiān)測解決方案。實驗結果表明，在-40℃到+120℃的溫度范圍內，該溫度傳感器表現出高線性的特點，實現了±1℃的誤差，敏感性分別為340Hz/℃，功耗低于2.1μW，面積為0.02mm2，十分適合無線傳感網的各種應用。

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農高海（1973-），男（壯族），廣西崇左人，本科，工程師，研究方向為電子線路設計、調試，ngh8100@163.com。

Low Power CMOSTem perature Sensor for Wireless Sensor Networks*

NONG Gaohai*
（The Baise College Physicsand Department of Telecom Engineering，BaiseGuangxi 533000，China）

In order to improve the linearity of the sensor and reduce the power consumption，a new frequency output temperature sensor is proposed for wireless sensor networks.Using the currentmultiharmonic oscillator frequency circuit，mainly composed ofa bidirectional current integrator，driven by awindow voltage comparator，by a single 1.2 V supply voltage，and the low costof0.18μm CMOStechnology production.Experimental resultsshow thatin-40℃to 120℃temperature range，the temperature sensor presented the characteristics of high linearity，realized the error of±1℃and sensitivitywere 340Hz/℃，power consumption is less than 2.1μW，areaof0.02mm2，isvery suitable forwirelesssensornetworks fora variety ofapplications.

low power；temperature sensor；temperature transfer frequency；wireless sensor network（WSN）

TP212.11

A

1005-9490（2016）04-0790-06

項目來源：廣西新世紀教改工程立項項目（2012JGB211）

2015-08-29修改日期：2015-10-09

EEACC:2570D；7230；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.008