應(yīng)用于RFID的超低功耗CMOS溫度傳感器設(shè)計(jì)*

吳　翔， 鄧芳明,， 何怡剛， 丁青鋒

(1.華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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應(yīng)用于RFID的超低功耗CMOS溫度傳感器設(shè)計(jì)*

吳翔1， 鄧芳明1,2， 何怡剛2， 丁青鋒1

(1.華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230009)

摘要:針對(duì)融合射頻識(shí)別(RFID)的無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的需求，采用0.18 μm 1P6M臺(tái)積電CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種低功耗集成溫度傳感器。該溫度傳感器首先將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過經(jīng)壓控振蕩器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為受溫度控制的頻率信號(hào)，再通過計(jì)數(shù)器，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。傳感器電路利用MOS管工作在亞閾值區(qū)，并采用動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)獲得超低功耗。測試結(jié)果顯示：所設(shè)計(jì)的溫度傳感器僅占用0.051 mm2，功耗僅為101 nW，在0～100 ℃范圍內(nèi)誤差為-1.5～1.2 ℃。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器； 射頻識(shí)別技術(shù)； 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝

0引言

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象獲取數(shù)據(jù)。RFID標(biāo)簽按照工作方式可以分為有源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽三類，其中,無源RFID標(biāo)簽由于無需內(nèi)置電池、成本低且使用周期長，更加廣泛地被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中[1]。無源RFID標(biāo)簽利用標(biāo)簽天線接收RFID閱讀器發(fā)送的無線信號(hào)，并經(jīng)標(biāo)簽內(nèi)部的整流器和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為直流電壓為后續(xù)電路供電。因此，功耗是無源RFID標(biāo)簽最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，它決定了RFID標(biāo)簽的最大工作距離。近年來，在無源RFID標(biāo)簽中集成傳感器功能的研究成為熱點(diǎn)[2],典型的無源RFID標(biāo)簽的功耗為10 μW，因此，適用于無源RFID標(biāo)簽的集成傳感器的功耗一般為幾微瓦，設(shè)計(jì)如此超低功耗的溫度傳感器是一種挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)溫度傳感器基于雙極結(jié)型晶體管(BJT)[3,4]，將溫度變量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓值，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。這種結(jié)構(gòu)的溫度傳感器雖然可以獲得較高的精度，然而功耗甚高(常達(dá)mW級(jí))，并不適用于無源RFID標(biāo)簽芯片中。文獻(xiàn)[5,6，7]分別采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來代替A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可以獲得低于1 μW的超低功耗，但以犧牲精度為代價(jià)。文獻(xiàn)[8]采用亞閾值區(qū)MOS管技術(shù)設(shè)計(jì)了一種超低功耗溫度傳感器，為本設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

本文針對(duì)無源超高頻RFID標(biāo)簽，采用0.18 μm 1P6M臺(tái)積電CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種低功耗集成溫度傳感器。通過讓MOS管工作在亞閾值區(qū)，并采用動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)獲得超低功耗。

1溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

圖1為溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，包含溫度/電壓轉(zhuǎn)換、電壓/頻率轉(zhuǎn)換和頻率/數(shù)字轉(zhuǎn)換三部分。本方案首先利用亞閾值MOS的溫度特性產(chǎn)生一個(gè)受溫度變化控制的電壓Vc，再將此電壓作用于壓控振蕩器(voltage controlled oscillator,VCO)上產(chǎn)生一個(gè)受溫度變化控制的頻率fc，10 bit計(jì)數(shù)器計(jì)算一周期內(nèi)輸入fc的脈沖數(shù)從而產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出Do。本溫度傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是亞閾值溫控電壓電路和壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。

圖1　本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器構(gòu)架圖Fig 1　Architecture of the proposed temperature sensor

1.1溫控電壓電路設(shè)計(jì)

如圖2所示電路由啟動(dòng)電路和電壓產(chǎn)生電路組成，啟動(dòng)電路由晶體管Ms1～Ms5組成。

圖2　溫度傳感器電路Fig 2　Temperature sensor circuit

M1和M2可以工作在亞閾值區(qū)和強(qiáng)反型區(qū)，M3，M4，M5只能工作在亞閾值區(qū)。亞閾值區(qū)的漏極電流Isub可表示為

(1)

(2)

α=1+Cdl/Col.

(3)

其中，Vtv為熱電壓，P(=W/L)為晶體管長寬比，kB為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；q為電子電荷，1.60×10-19C；TK為絕對(duì)溫度，α為斜率系數(shù)，η為漏誘生勢(shì)壘降低效應(yīng)系數(shù)，μ為載流子遷移率，Cdl為耗盡層電容，Col為氧化層電容。當(dāng)Vds≥4Vtv，室溫下Vds約為73mV，且exp(-Vds/Vtv)遠(yuǎn)小于1時(shí)，式(1)中的exp(-Vds/Vtv)可以忽略不計(jì)。另外，由于一般ηVds較小，可以滿足Vgs-Vth?ηVds。因此，式(1)可以簡化為

(4)

于是,可得到Vout

(5)

通常,在體效應(yīng)影響下死區(qū)電壓Vth為

(6)

(7)

由于Vsb4=Vds5=Vout,Vout可改寫為

(8)

假定β=0.62，2Φs=0.71，則

(9)

又因?yàn)?/p>

(10)

所以

(11)

由式(11)可知，Vout正比于絕對(duì)溫度TK。

1.2壓控振蕩器設(shè)計(jì)

壓控振蕩器在通信系統(tǒng)電路、鎖相環(huán)電路、頻率綜合器電路以及鎖相環(huán)電路中起到非常關(guān)鍵的作用。在亞閾值區(qū)，壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率fc與控制電壓Vt呈正比，如式(12)

fc=f0+K0Vc.

(12)

其中，f0為壓控振蕩器的中心頻率；K0為壓控振蕩器的增益,rad·s-1·V-1。

電流饑餓型壓控振蕩器如圖3所示，其工作原理與環(huán)形振蕩器相似。M2和M3充當(dāng)反相器，而M1和M4充當(dāng)電流源并控制著流過晶體管M2和M3的電流，即由M2和M3構(gòu)成的反相器處于電流饑餓狀態(tài)。M5和M6的漏極電流被鏡像到環(huán)路振蕩器的每一級(jí)中，其大小保持一致并由輸入控制電壓設(shè)定。降低VDD是降低功耗的一個(gè)很有效的方法，但VDD受到閾值電壓的限制，不能過低。動(dòng)態(tài)MOS(DTMOS)可以有效減小MOSFET的閾值，因此，可以降低VDD，進(jìn)而降低功耗。將襯底和柵極連接起來就可以實(shí)現(xiàn)DTMOS，其具有較MOS管更高的遷移率和電流驅(qū)動(dòng)能力。動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)能夠有效減小MOS場效應(yīng)晶體管截止?fàn)顟B(tài)下的漏電流和導(dǎo)通狀態(tài)下的閾值電壓。

圖3　電流饑餓型壓控振蕩器Fig 3　Current-starved VCO

2仿真與測試結(jié)果

圖4為本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器版圖，采用臺(tái)積電0.18 μm CMOS 1P6M工藝制造，整個(gè)溫度傳感器占用0.051 mm2的面積。本實(shí)驗(yàn)將溫度傳感器置于恒溫箱中以測試其性能。在0～90℃之內(nèi)，將恒溫箱的溫度每隔5 ℃進(jìn)行測試，輸出結(jié)果如圖5所示。由結(jié)果可知，該溫度傳感器在0～90 ℃之內(nèi)線性度良好。

圖4　本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器版圖Fig 4　Layout of the proposed temperature sensor

圖5　溫度傳感器線性度測試Fig 5　Measurement of linearity of temperature sensor

圖6為所設(shè)計(jì)的溫度傳感器的前端工藝角仿真圖，在三種工藝(TT,SS,FF)下，溫度傳感器都保持良好的線性，且誤差較小。圖7在流片后對(duì)5塊不同的溫度傳感器芯片進(jìn)行了誤差測試。測試首先在40 ℃進(jìn)行一次校正，測試誤差在0～100 ℃時(shí)為-3.9～3.3 ℃，然而,在80 ℃進(jìn)行二次校正時(shí)，測試誤差降到-1.5～1.2 ℃。

圖6　工藝角仿真分析圖Fig 6　Simulation analysis on process corner

圖7　流片后誤差測試圖Fig 7　Measurement of error after chip process began

表1將本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器與近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的溫度傳感器進(jìn)行了性能對(duì)比。本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器只占用了0.051 mm2芯片面積，0.5 V電源電壓下僅消耗了101 nW功率。雖然文獻(xiàn)[5～8]的方案也獲得了同數(shù)量級(jí)的低功耗，但它們或是溫度范圍小，或與本文設(shè)計(jì)相比功耗更高。

表1　溫度傳感器參數(shù)對(duì)比

3結(jié)論

本文采用0.18 μm 1P6M臺(tái)積電CMOS工藝針對(duì)無源超高頻RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)了一種低功耗集成溫度傳感器。溫度傳感器電路首先將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過電流饑餓型壓控振蕩器，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率，再通過10 bit計(jì)數(shù)器，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。后期測試結(jié)果顯示：本文設(shè)計(jì)的集成溫度傳感器獲得了良好的線性度，所占面積小，功耗低，特別適用于無源傳感器標(biāo)簽設(shè)計(jì)中。未來工作中，將進(jìn)一步開展將溫度傳感器與RFID標(biāo)簽其他模塊集成的研究。

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Design of ultra-low power consumption CMOS temperature sensor applied in RFID*

WU Xiang1, DENG Fang-ming1,2, HE Yi-gang2, DING Qing-feng1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,East China JiaoTong University,Nanchang 330013,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Abstract:Aiming at design demand for wireless temperature sensor node which integrates RFID,design a low power consumption integrated temperature sensor,using 0.18 μm 1P6M CMOS process,design an integrated temperature sensor with low power consumption.Firstly,it transfers temperature signal to voltage signal,which is then converted to frequency signal by a voltage-controlled oscillator and the frequency signal is finally converted to digital signal by counter.Sensor circuit works in sub-threshold region and employs dynamic threshold-voltage to achieve ultra-low power consumption.Later period test result show that the designed temperature sensor only covers an area of 0.051 mm2,consumes only 101 nW power with an error -1.5～1.2 ℃,at range of 0～100 ℃.

Key words:temperature sensor; RFID technology; CMOS process

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0106—03

收稿日期：2015—05—05

*基金項(xiàng)目：國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50925727)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目(313018)；安徽省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(1301022036)；江西省科技廳青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20142BAB217008)；華東交通大學(xué)校立科研基金資助項(xiàng)目(14DQ08)

中圖分類號(hào)：TP 212.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0106—03

作者簡介:

吳翔(1974-)，男，江蘇武進(jìn)人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c射頻識(shí)別技術(shù)、測試與故障診斷。