温度传感器器件及感测系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开涉及一种包含温度传感器的集成电子器件。
【背景技术】
[0002] 众所周知，温度传感器具有多种应用。例如，它们可以是独立部件，其在输出提供 环境的温度值。此外，它们可以是包括其性能随温度变化的其他元件的更复杂系统的部件。 这些变化经常是不期望的，所以检测现有温度并补偿性能变化并使它们与温度无关是有用 的。而且当随着温度的性能变化是复杂系统的预期效果时，在任何情况下具有局部绝对温 度值的直接信息经常是有用的。
[0003] 温度传感器构建为多种不同的方式，特别是根据应用和它们是否是独立型或它们 是集成在更复杂的系统中。在前一种情况下，事实上，经常不存在尺寸问题，而且可以使用 更简单但是更笨重的方案:然而在后一种情况下，除尺寸和消耗之外，与系统的其它部件的 集成实施方式是重要的。
[0004] 在温度传感器集成在电子电路中的情况下，已知的是，利用双极型晶体管的基极 发射极电压的温度易变性。事实上，众所周知，此电压具有每摄氏度几毫伏的变化。通过使 用感测电路来检测电压变化并放大，用适当算法可以确定电子电路内的局部温度。此方案， 尽管极其广泛采用，并不是没有缺点，例如由于需要为M0S技术电路实施双极部件和/或对 温度传感器和关联部件的高消耗，例如与温度传感器关联的调节和放大级。此外，此方案的 缺点是引起高噪声，其可能是某些应用中的缺点。另一方面，已知方案的消耗等级越高，最 大可接受噪声的等级越低。尤其地，此方案不总是解决问题，因为基极发射极电压读数通常 与参考值相比较，参考值通过不同的级产生，例如带隙电路，其也可随着温度改变。此性能 在输出信号中引入误差，所以温度值读数可能不具有所期望的精确度。
[0005] 在一些已知方案中，感测电路包括电阻性的桥，用于补偿参考元件或电路中的温 度依赖性。然而，目前为止，此方案也不是没有缺点，因为它引入不期望的消耗水平。
[0006] 更创新的方案包括，例如，MEMS(微型机电系统)技术的使用，其构建了当温度变化 时可以承受机械形变的元件（例如参见" A Micromachined Silicon Capacitive Temperature Sensor for Radiosonde Applications"，Hong-Yu Ma，Qing_An Huang，Ming Qin，Tingting Lu，E-ISBN:978-1-4244-5335-1/09，2009IEEE)。其他已知的方案是基于使 用新材料（例如参见 "High-performance bulk silicon interdigital capacitive temperature sensor based on graphene oxide"，Chun-Hua Cai and Ming Qin， ELECTRONICS LETTERS，28th March 2013V〇1.49N〇.7，ISSN:0013-5194)。
[0007] 然而，这些方案难以整合在数字系统中，因此并非普遍地可适用。 【实用新型内容】
[0008] 本公开的一个目标是提供一种温度传感器，其克服了现有技术的缺陷。
[0009] 根据本公开，集成电子器件利用以下事实，即反向偏置的PN结具有以已知方式随 温度变化的等效电容。此电容可以与提供的参考电容相比较，以具有微不足道的温度依赖 性。已知的感测电路，例如切换电容器运算放大器，然后可以检测随温度的电容变化并输出 一电压，该电压随电容变化而直接变化。
[0010] 本实用新型的实施例提出一种温度传感器器件，包括:感测元件，所述感测元件集 成在半导体材料芯片中并对温度敏感；以及耦合到所述感测元件的感测级，其中所述感测 元件包括被配置为反向偏置的结型的感测二极管。
[0011] 在一个实施例中，所述感测二极管具有耦合到偏置节点的阴极端子和耦合到所述 读取级的第一输入的阳极端子，其中所述偏置节点耦合到电压源，所述电压源被配置为偏 置节点提供相对于所述读取级的第一输入是正的电压。
[0012] 在一个实施例中，进一步包括参考电容元件，所述参考电容元件具有親合到所述 偏置节点的第一端子和耦合到所述读取级的第二输入的第二端子。
[0013] 在一个实施例中，进一步包括:补偿二极管，所述补偿二极管具有耦合到所述读取 级的所述第二输入的阳极端子和耦合到参考电位线的阴极端子；以及对称电容器，所述对 称电容器具有耦合到所述读取级的所述第一输入的第一端子和耦合到所述参考电位线的 Λ-Λ---上山 弟>栖子。
[0014] 在一个实施例中，所述读取级是开关电容器差分放大器。
[0015]本实用新型的实施例还提出一种感测系统，包括:感测元件，所述感测元件包括感 测结型二极管；以及耦合到所述感测元件的读取电路，所述读取级被配置为反向偏置所述 感测结型二极管并检测所述感测结型二极管的结电容，并基于检测的所述结电容产生输出 信号，所述输出信号指示含有所述结型二极管的环境的温度。
[0016] 在一个实施例中，进一步包括补偿电路，所述补偿电路耦合到所述感测结型二极 管并配置为补偿穿过所述感测结型二极管的漏电流。
[0017] 在一个实施例中，所述补偿电路包括补偿二极管，所述补偿二极管形成为具有约 等于所述感测结型二极管的所述漏电流的泄漏值。
[0018] 在一个实施例中，所述读取电路包括开关电容器差分放大器，其产生具有以下值 的输出信号：
[0019]
[0020] 其中△ V是施加到所述感测结型二极管的偏置电压值的变化，△ C是所述感测结型 二极管的结电容和所述开关电容器差分放大器的参考电容器的值之间的差值，并且电容Ci 是所述开关电容器差分放大器的反馈电容器的值。
[0021] 在一个实施例中，所述开关电容器差分放大器包括完全差分放大器。
[0022] 在一个实施例中，所述感测结型二极管具有耦合到偏置节点的阴极和耦合到所述 读取电路的第一输入的阳极，其中所述偏置节点被耦合到电压源，所述电压源被配置为对 所述偏置节点提供相对于所述读取电路的第一输入是正的电压。
【附图说明】
[0023] 为了更好地理解本实用新型，现在参考附图纯粹地通过非限制性示例描述其优选 实施例，其中：
[0024]图1示出了结型二极管的结电容Cj作为所施加电压Vd的函数的绘图；
[0025]图2示出了结型二极管的结电容Cj作为温度的函数的变化；
[0026] 图3示出了根据本公开的第一实施例的本器件的简化电路图；
[0027] 图4示出了图3的电路中的电信号的绘图；
[0028] 图5示出了根据本公开的第二实施例的本器件的简化电路图；
[0029] 图6示出了图5的电路中的电信号的绘图；
[0030] 图7示出了图5的电路的输出电压V。的绘图；
[0031]图8示出了根据图3和5的实施例的温度传感器的可行实施方式。
【具体实施方式】
[0032]根据本公开实施例的本传感器利用对反向偏置的PN结二极管的电容的温度依赖 性。
[0033]事实上，如已知的，反向偏置的PN二极管的接触电位(或内置电压)Vbi由此给出：
[0034]
v 1 f
[0035] 其中K是玻耳兹曼常数，T是绝对温度中的温度，q是电子电荷，Να是受体原子的浓 度，Nd是供体原子的浓度，以及m(t)是ΡΝ二极管中的本征载流子的浓度。特别地，本征载流 子的浓度m取决于温度T，其基于Eq. (2):
[0036]
(2)
[0037 ]其中ECrff是用于二极管的集成的材料的能隙。
[0038]在PN二极管中，通过向其中施加反向电压Vd，电荷Qj储存在结上：
[0039]
[0040]其中es是半导体的介电常数。如需要注意的，累积的电荷(^取决于接触电位VblT 的温度，以及取决于反向电压Vd。
[0041] 因此二极管的结电容Cj是：
[0042]
[0043]其中A是PN结的面积。
[0044]在实践中，在硅衬底中形成的PN二极管具有结电容，其取决于偏置电压和温度，如 图1(具有实线）和图2分别所示，分别于恒温(T = 25°C)和恒定反向偏压(Vr = 0.625V)下计 算。图1还