一種高精度CMOS 溫度傳感器自動校準(zhǔn)方法*

毋天峰 ，白忠臣 ，張學(xué)恒 ，秦水介

（1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴陽550025；2.貴州省光電子技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550025）

1 引 言

溫度作為現(xiàn)實(shí)生活中最常用到環(huán)境變量之一，與物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域均有密不可分的相關(guān)性，在許多應(yīng)用中溫度的精確測量與控制都是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)[1]。對于溫度傳感器來說，最需要關(guān)注的指標(biāo)是精度，它是溫度傳感器的最基本性能，反映了該傳感器輸出與實(shí)際被測溫度間的差距。為實(shí)現(xiàn)溫度傳感芯片的高精度性能，在芯片封裝之后進(jìn)行測試和校準(zhǔn)是必不可少的步驟。校準(zhǔn)可分為單個(gè)校準(zhǔn)和成批校準(zhǔn)。單個(gè)校準(zhǔn)將每顆芯片進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)；成批校準(zhǔn)則是選取所有芯片中的一部分，用這部分校準(zhǔn)的平均值來校準(zhǔn)所有芯片。對于CMOS 溫度傳感器的校準(zhǔn)，一般需要多次精細(xì)的微調(diào)才能獲得高精度。因此，單個(gè)校準(zhǔn)顯然具有更高的精度，但其校準(zhǔn)過程非常費(fèi)時(shí)，成本過高，并不適用于工業(yè)大批量生產(chǎn)的場合。成批校準(zhǔn)技術(shù)就是為滿足工業(yè)大批量生產(chǎn)需求而出現(xiàn)的解決方案，但由于工藝偏差是隨機(jī)誤差，每顆芯片均采用同一校準(zhǔn)值勢必會大幅度降低精度[2-8]。鑒于這一“成本”與“精度”的矛盾，在此提出一種基于逐次逼近算法的電壓自動校準(zhǔn)方法，以順應(yīng)批量生產(chǎn)的自動校準(zhǔn)技術(shù)需求。為確保此CMOS 溫度傳感器工作在精確的測試環(huán)境中，同時(shí)也提出了一種用以營造高精度、高穩(wěn)定溫度測試環(huán)境的方法。

2 高穩(wěn)定性測溫環(huán)境搭建

溫度傳感器以溫度作為測試對象，故此需要進(jìn)行熱學(xué)測試環(huán)境的搭建。在此采用在-50℃到160℃溫度范圍內(nèi)精度可達(dá)±0.05℃的Fluke1551A 手持式溫度計(jì)來精確測溫。采用一個(gè)溫度可編程控制的高低溫交變試驗(yàn)箱來提供-60℃到150℃的溫度環(huán)境，該溫度箱左右兩側(cè)均留有便于外部測試使用的圓形開槽，進(jìn)行高低溫測試時(shí)該開槽可用橡膠塞密封。為確保被測芯片和參考溫度計(jì)的實(shí)際溫度在空間和時(shí)間上的一致性，需要將參考溫度計(jì)Fluke 1551A 的探頭盡可能靠近被測芯片；同時(shí)在讀取溫度讀數(shù)時(shí)，讓高低溫交變試驗(yàn)箱控制溫度不變一段時(shí)間后，待參考溫度計(jì)讀數(shù)長時(shí)間不再變化時(shí)，再讀取被測芯片和參考溫度計(jì)的讀數(shù)。

對高精度溫度傳感芯片的測試，要求測試環(huán)境的溫度波動非常小，此時(shí)測試環(huán)境溫度波動度應(yīng)控制在測試所需的溫度精度以下。

現(xiàn)有的常見的恒溫箱，其系統(tǒng)均采用BTC（強(qiáng)制性的自然通風(fēng)內(nèi)均衡控溫）方法實(shí)現(xiàn)控溫調(diào)節(jié)，即用加熱與制冷相平衡的方法進(jìn)行控溫調(diào)節(jié)。加熱功率受控制器控制，其工作原理是控制器通過比較傳感器檢測到的溫度值與儀表設(shè)定溫度值，經(jīng)過一系列運(yùn)算，來調(diào)節(jié)加熱功率從而實(shí)現(xiàn)控溫。然而，采用這種方法測試，恒溫箱內(nèi)測試環(huán)境的溫度波動度會在±0.5℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出芯片所要獲得的精度（如0.05℃），對獲得更高精度的環(huán)境溫度造成了限制。

為解決測試環(huán)境的溫度波動度問題，在此利用比熱容較大的液體（比如水、油）搭建恒溫測試環(huán)境。圖1 為這一恒溫測試裝置的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 芯片恒溫測試裝置的三維結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，裝置采用導(dǎo)熱性好的材料制作一個(gè)容器，在容器內(nèi)部搭建一個(gè)恒溫測試空間，周圍用比熱容大的液體包圍。容器凹槽內(nèi)部空間為恒溫測試空間，為防止周圍環(huán)境溫度對這一狹小測試空間造成較大影響，可給小容器加上一個(gè)蓋子。測試時(shí)，待測物需要放到容器凹槽內(nèi)部恒溫測試空間進(jìn)行測試。為解決導(dǎo)線接入問題，可在容器蓋子上留一個(gè)大小合適的孔，需要的導(dǎo)線都從小孔里接入接出。

3 自動校準(zhǔn)方法

3.1 溫度傳感器自動校準(zhǔn)

CMOS 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。模擬感溫前端電路產(chǎn)生 ΔVBE和VBE兩個(gè)溫度相關(guān)的電壓信號。這兩個(gè)信號包含了所有有效的感溫信息，隨后由ADC 將這兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)DOUT，最后通過數(shù)字接口電路與微處理器進(jìn)行通信。

圖2 CMOS 溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖

讀數(shù)DOUT獲得過程如下式所示：

其中，α 是使 VREF成為與溫度無關(guān)的帶隙基準(zhǔn)電壓的增益因子，A 和B 是將μ 值轉(zhuǎn)換成以攝氏度為單位的溫度讀數(shù)的縮放系數(shù)。

添加了外部電壓參考的溫度傳感器電路原理圖如圖3 所示。由于進(jìn)程擴(kuò)展，VBE不能在片上實(shí)現(xiàn)精確校準(zhǔn)，同時(shí)VBE的傳播又是一個(gè)與絕對溫度成比例（PTAT, Proportional to Absolute Temperature）的誤差[2]，因此需要一個(gè)能夠調(diào)節(jié)VBE的校準(zhǔn)電路。校準(zhǔn)電路原理圖如圖4 所示。RCAL是一個(gè)校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)，它由7 個(gè)二進(jìn)制權(quán)重的電阻串聯(lián)而成，每個(gè)電阻上都并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，來控制該路電阻是否被接入。讓精確偏置電路產(chǎn)生的對β 值敏感的 PTAT 電流流過RCAL，取RCAL兩端電壓 VCAL作為校準(zhǔn)電壓來補(bǔ)償VBE，可得 VCAL為：

其中，電阻R0決定了校準(zhǔn)的最小步長；開關(guān) S1用于控制校準(zhǔn)電壓RCAL的極性；開關(guān)S2～S8用于控制校準(zhǔn)電壓 VCAL的大小；β 為前向電流增益。VCAL和 VBE同時(shí)輸入到DSM（Delta-Sigma Modulator），需要一個(gè)單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)，可在芯片外部設(shè)置實(shí)現(xiàn)。

圖3 帶外部電壓參考的溫度傳感器電路

圖4 校準(zhǔn)電路原理圖

自動校準(zhǔn)方法的算法流程圖如圖5 所示。使用此法實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)的具體過程如下：

1) 根據(jù)圖3，通過開關(guān) SCAL的選擇，外部精確參考電壓VEXT取代VBE被送入DSM 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換。假定外部參考電壓VEXT足夠精確，TREF則足夠精確且可作為溫度參考。片外的MCU 完成這個(gè)計(jì)算過程，然后將TREF存儲起來。

2) SCAL切換回去，將 VBE送入 DSM，傳感器進(jìn)入正常工作模式。初始態(tài)下，S1置為1 ，表示正的VCAL，S2～S8全部被置為 1，表示 RCAL＝0。DSM 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換，輸出為μ1。經(jīng)過合適的比列縮放，得到開氏溫度 T1。MCU 對 TREF和T1進(jìn)行比較，來決定S1中的符號標(biāo)志位為1 還是為0。這一過程決定了校準(zhǔn)電壓的極性，即送入 DSM 的校準(zhǔn)電壓為正還是為負(fù)。

3) S1中的符號標(biāo)志位被確定了后，最高有效位S2被置為 0，同時(shí)其他位保持不變。DSM 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換，輸出為μ2并得到溫度T2。MCU 對TREF和T2進(jìn)行比較，來決定S2是保持不變還是翻轉(zhuǎn)。重復(fù)上述過程直到最低有效位S8也被確定。當(dāng)S2～S8都被確定后，校準(zhǔn)電壓的大小也就被確定了。此時(shí)，整個(gè)校準(zhǔn)過程也就完成了。

3.2 溫度傳感器芯片測試與校準(zhǔn)

為驗(yàn)證所提出的自動校準(zhǔn)方法的有效性，在Global Foundries 的 0.18μm 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝下進(jìn)行流片測試。

圖5 自動校準(zhǔn)方法算法流程圖

在芯片校準(zhǔn)前，首先要測試溫度傳感器芯片的溫度系數(shù)。在高低溫交變試驗(yàn)箱設(shè)定的多組溫度下，記為 T0、T1、T2…，在邏輯分析儀上求出前 10000 個(gè)時(shí)鐘周期對應(yīng)的占空比，記為 μ0、μ1、μ2…，然后求出其線性回歸的擬合直線。

測試過程中需要模擬電源地和數(shù)字電源，工作電壓為1.35V，分別由電壓源供電；20 kHz 的采樣時(shí)鐘通過信號發(fā)生器提供；復(fù)位信號采用一個(gè)開關(guān)來手動控制；DSM 的輸出采用邏輯分析儀來采集；精確的外部參考電壓源通過最大誤差為±5 μV 的Keithley 2400 數(shù)字源表來提供。

每次采集數(shù)據(jù)前需要將復(fù)位端接地之后等待3～5 秒，待其內(nèi)部電容充分放電，再接1.35 V，之后在邏輯分析儀上收集輸出端口的數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)只需要前10000 個(gè)數(shù)字，統(tǒng)計(jì)里面1 數(shù)字的占比量，記為μ 值。需測多組μ 值求平均數(shù)且滿足μ 以萬分之一精度，即在小數(shù)點(diǎn)后第四位上變化。

以室溫環(huán)境下的測試為例。通過邏輯分析儀測出對應(yīng)的占空比，記為 μ00、μ01、μ02…，并求出其平均值，記為μREF，后帶入相關(guān)公式求出室溫下對應(yīng)的參考溫度，記為TREF?？梢栽诟叩蜏亟蛔冊囼?yàn)箱內(nèi)設(shè)定多組不同測試環(huán)境溫度，并求出不同溫度下的TREF。采用逐次逼近法從 S2～S8＝ 1111111 或者從 S2～S8＝0000000 找到最接近TREF的點(diǎn)，即為校準(zhǔn)點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)選取三組芯片進(jìn)行測試及校準(zhǔn)，并給出對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先需測出CMOS 溫度傳感器芯片的溫度關(guān)系T＝676.5180 μ-307.9624。然后對芯片進(jìn)行測試校準(zhǔn)。測試得出三組芯片的S1皆為0，表示校準(zhǔn)電壓VCAL的極性均為負(fù)。三組芯片的詳細(xì)校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)由表1 給出。

表1 三組芯片校準(zhǔn)結(jié)果

由表1 可知，三組芯片在室溫下通過校準(zhǔn)后，精度得到有效提升，校準(zhǔn)后誤差小于0.1℃。

5 結(jié) 束 語

在新設(shè)計(jì)的方法中，利用比熱容較大的液體搭建恒溫測試環(huán)境，可使測試環(huán)境波動度穩(wěn)定在所需精度內(nèi)（如0.05℃），以此實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定溫度測試環(huán)境的營造。在此方法的支持下，提出一種CMOS 溫度傳感器自動校準(zhǔn)技術(shù)，利用電壓校準(zhǔn)、單片機(jī)和微調(diào)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)逐次逼近的自動校準(zhǔn)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動校準(zhǔn)，具有校準(zhǔn)時(shí)間短、精度合理、溫度覆蓋范圍廣，校準(zhǔn)功耗極低等優(yōu)點(diǎn)。在室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過2 秒的自動校準(zhǔn)，CMOS 溫度傳感器校準(zhǔn)之后的誤差值顯著較小，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。