一種用于安全芯片的高性能溫度監測傳感器設計*

劉文娟， 趙毅強， 李雪民， 趙國芬

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

0 引 言

近年來，隨著半導體技術、計算機技術和網絡技術的日趨成熟，移動通信、互聯網以及各類便攜式設備無不滲透到社會的各個領域，由此引發的信息安全問題開始受到研究者的重視。在國防和軍事領域，信息疆域安全更成為了國家安全防御體系的新的著力點[1]。信息安全的核心在于保護信息系統和信息本身免受各類干擾、監聽和破壞。針對半導體芯片的攻擊手段主要包括侵入式攻擊和非侵入式攻擊，而侵入式攻擊具有價格低廉、通用性強、攻擊效果較好的優點，成為當今攻擊者非常熱衷的手段[2]。因此，在設計初期需要將抗攻擊防護機制考慮其中，設計具備監測電路的安全芯片。

然而，侵入式攻擊往往發生在芯片掉電或者未使用的情況下，入侵者直接對芯片進行開蓋、解剖，讀取重要信息甚至電路結構。因此，需要在芯片封裝體內嵌入微型電池進行實時供電，長期監測芯片狀態。眾所周知，電池只能在一定的溫度范圍內正常工作，溫度過高或者過低都會影響電池輸出電壓從而導致芯片工作異常，引發新的安全問題。

本文設計的溫度傳感器主要應用于安全芯片電池供電系統的異常溫度監測，它能夠實時監測芯片和電池所處環境的溫度值，當溫度超過一定閾值時，安全芯片能夠及時感知并輸出報警信號。

1 溫度監測傳感器的整體結構

溫度監測傳感器的結構圖如圖1所示，主要包括PN結溫度傳感器[3]和比較器。由于系統內嵌電池選用高溫鋰亞硫酰氯電池[4，5]，其工作溫度范圍為-55～125 ℃，因此，溫度監測系統的溫度閾值分別為-50，120 ℃。經過對PN結溫度傳感器的仿真和測試，確定高溫和低溫基準電壓閾值。當環境溫度低于-50 ℃或者高于120 ℃時，比較器輸出相應的預警信號，從而發現異常并做出響應。

圖1 溫度監測傳感器結構圖

2 PN結溫度傳感器的工作原理

隨著標準CMOS工藝的快速發展，在N阱工藝中能夠兼容CMOS晶體管、雙極型晶體管以及PN結，從而利用半導體的溫度、光電、壓電等效應，制成種類繁多的半導體傳感器。已知PN結的正向偏置電壓與溫度相關，由PN結理想模型的電流電壓方程式即肖克萊方程式推導正向偏置電壓的溫度系數[6]。

已知PN結的電流電壓方程為

(1)

(2)

由于PN結結面積一定，所以,式(2)可改寫為

(3)

(4)

其中,B為一個比例系數，因為Eg=Eg(0)+βT，設Eg(0)=qVg0，Eg(0)為絕對零度時的禁帶寬度，Vg0為絕對零度時導帶底和價帶頂的電勢差[6]，由式(3)可推出

(5)

兩邊取對數，整理后得

(6)

其中，Vg0,k0,q,m與溫度無關，當PN結電流I保持不變時，在一定溫度范圍內，可以認為PN結正向偏置電壓VD與溫度T呈近似線性關系，如圖2所示為正向偏置電流不同時，硅PN結(10 μm×10 μm)偏置電壓與溫度的關系。

圖2 硅PN結(10 μm×10 μm)正向偏置電壓與溫度的關系曲線

由圖可知，正向偏置電壓隨溫度升高而減小，當電流減小時，溫度系數的絕對值增大。例如:偏置電流I=2 μA時，溫度系數為-2 mV/℃。PN結溫度傳感器正是利用其正向偏置電壓與溫度的相關性設計制作的。為了降低系統功耗，延長電池的工作壽命，電路需要選擇較小的偏置電流。

3 PN結溫度傳感器的電路設計

PN結正向偏置電壓與溫度的近似線性關系能夠滿足安全芯片的溫度監測范圍(-50～120 ℃)。為保證電路的輸出擺幅與傳感器的靈敏度，采用PN結串聯的方式監測溫度，電路結構如圖3所示。

圖3 PN結溫度傳感器電路圖

考慮到PN結的溫度系數與電流相關，因此，溫度傳感器通過電流基準進行偏置。采用電流鏡M1與M2，M3與M4，M5與M6，M7，M8鏡像電流，M5，M6，M8的寬長比相等，M7的寬長比是M5的2倍，由此可知電流關系

(7)

正向偏置的PN結電流與PMOS管M6的電流相等，由圖3可知， PMOS管M7的電流分別流過M9和M10，得

IM7=IM9+IM10.

(8)

又由式(7)、式(8)，可得

(9)

4 測試與仿真結果

基于Global Foundry(GF)0.18 μm 標準CMOS工藝庫[8～10]，在Cadence軟件環境下，對設計電路進行溫度仿真，在-50～120 ℃溫度范圍內，芯片的仿真結果顯示:PN結溫度傳感器的溫度系數為-4.56 mV/℃，當電源電壓為3.3 V時，功耗為10.04 μW。根據以上分析，采用GF 0.18 μm標準CMOS工藝設計上述電路并流片測試，芯片版圖照片如圖4所示。

圖4 溫度監測傳感器芯片照片

溫度傳感器芯片通過GZ—ESPEC高低溫試驗，結果如圖5所示。

圖5 輸出電壓隨溫度變化的測試曲線

測試結果表明:在溫度范圍-50～140 ℃內，溫度傳感器的實測溫度系數為-4.47 mV/℃。在整個溫度范圍內，溫度傳感器線性度良好，溫度系數基本恒定，經過多片多次測試，不同芯片的溫度曲線重復性良好，能夠實現溫度監測的功能。根據溫度測試試驗，確定高低溫溫度閾值電壓，經過仿真得如圖6所示監測信號。

圖6 監測信號隨溫度變化的曲線

5 結束語

考慮到該溫度監測傳感器主要應用于電池供電系統，要求芯片集成度高、可靠性強、功耗低等特性，因此，溫度監測傳感器利用PN結正向偏置電壓的溫度特性設計PN結溫度傳感器，實現高線性度高穩定性的溫度監測輸出。經過對芯片多次測試并仿真，在寬溫度范圍-50～140 ℃內，溫度系數為-4.47 mV/℃，當電源電壓為3.3 V時，功耗為10.04 μW，完全滿足安全芯片溫度監測系統的工作要求。

參考文獻:

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