面向RFID標簽的COMS低功耗溫度傳感器設計*

何 歡

（重慶電子工程職業學院計算機學院，重慶401331）

面向RFID標簽的COMS低功耗溫度傳感器設計*

何 歡*

（重慶電子工程職業學院計算機學院，重慶401331）

為了最大限度地提高無線射頻識別（RFID）標簽的操作距離，提出了一種集成于RFID標簽芯片的超低功耗高精度CMOS溫度傳感器。提出傳感器電路由新型數字環形振蕩器，分頻器，多路復用器和10 bit的數字計數器組成，溫度轉換成數字輸出是在一個采樣周期期間通過計數振蕩器的時鐘邊緣數量得以實現。振蕩器的頻率可以通過電容器組和堆疊晶體管進行數字修正。通過0.18μm CMOS測試芯片獲得的測量數據表明，提出的溫度傳感器分辨率為0.4℃/LSB，10 bit數字輸出，校準后的可測量溫度范圍從-20℃到95℃。采樣頻率為10 Hz時，提出的傳感器的功耗僅為92 nW。

溫度傳感器；RFID；環形振蕩器；低功耗

無線射頻識別（RFID）技術廣泛應用于各種社會現實應用中，比如實時生產監控，安全防護，以及供應鏈管理［1-2］。當今的無線射頻識別標簽通常只具有識別功能，但是未來的無線射頻識別標簽需要能夠感應并且提供周邊的環境信息數據［3］。特別是，具有溫度監控功能的無線射頻識別標簽可以廣泛應用于商業和工業用途中。

校正法在大規模生產傳感器方面發揮著重要作用［4-5］。相較于經過多點校正的傳感器，經過單點校正的傳感器通常成本更低。文獻［6］提出的數字溫度傳感器，在實施單點校正之后，實測溫度精度在±2℃的范圍之內，溫度范圍為0℃～100℃。同樣地，文獻［7］描述了使用FPGA的自主校正全數字式溫度傳感器。自主校正溫度傳感器的實測溫度范圍為0℃～+75℃。

盡管應用于無線射頻識的CMOS溫度傳感器已經受到了目前國際上學術界和工業界廣泛的研究［8-9］。但是它們幾毫瓦的電力消耗已經相當于標簽本身的電力消耗，從而導致無線射頻識別標簽的操作距離明顯減少［10］。為了最大化無線射頻識別標簽的操作距離，與標簽的功耗相比較，溫度傳感器的功耗應該被忽略。

在本文中，提出了一種基于環形振蕩器的CMOS溫度傳感器，應用于無線射頻識別。提出的傳感器通過環形振蕩器和數字計數器來實現ADC的功能，因此，帶隙基準電壓和ADC都不需要消耗大量的功率。此外，由于提出的傳感器實施全數字化，因此不需要偏置電流，隨著操作頻率的降低，功耗降低不受任何限制。環形振蕩器由堆疊的逆變器構成，用來降低泄漏電流。為了解決制程變異的影響，振蕩器的頻率可以進行數字修正。最后，由于提出的傳感器運用了閾值電壓的溫度依賴關系和MOS晶體管的載流子遷移率，因此與基于帶隙電路和ADC的傳統溫度傳感器相比，提出傳感器集成電路的實現更加簡單。

1 數控環形振蕩器設計

傳感器電路所用環形振蕩器結構，如圖1所示。振蕩器由15個相同的逆變器，一個電容器，以及一個驅動后面分頻器的緩沖器組成。其中電容器組連接于每個輸出節點。包括緩沖器在內的所有振蕩器組件所設計的操作電源電壓為0.3 V。由于閾值電壓的溫度依賴性，隨著溫度的增加，振蕩器可以在亞閾值區域，接近閾值區域和高于閾值區域運行。因此，環形振蕩器輸出頻率的動態范圍很廣泛。與之相反，文獻［6］雖然基于振蕩器，但是動態范圍非常有限。振蕩器的頻率取決于每個階段的輸出所獲得的總電容。

圖1 數控環形振蕩器的示意圖

環形振蕩器的頻率取決于單個逆變器在每個階段的時間延遲td，由以下公式得出

式中，Co表示每個階段輸出時得到的總電容，iD表示單個MOS晶體管的電流。

振蕩器的頻率可以與由5個MOS晶體管電容器構成的5 bit限制組進行數字修正。電流驅動的逆變器結構延時可以進行數字調整，如圖2所示。為了減少泄漏電流，堆積了4個NMOS和PMOS晶體管。仿真結果表明，與傳統的逆變器鏈相比，功率降低達18%左右。此外，這種疊加的逆變器結構可以對環形振蕩器的頻率進行調整。通過打開和關閉堆疊的晶體管，MOS晶體管阻力出現變化，因此堆積的逆變器時間延遲可以削減。

圖2 電流驅動式可調逆變器示意圖

2 提出的CMOS溫度傳感器結構

提出的CMOS溫度傳感器由環形振蕩器，分頻器，多路復用器和10 bit的數字計數器組成，如圖3所示。溫度轉換成數字輸出是在一個采樣周期期間通獲得過計數振蕩器的時鐘邊緣數量得以實現。采樣周期不依賴于溫度變化，可以從射頻識別讀卡器獲得采樣周期［8］。

圖3 基于環形振蕩器的CMOS溫度傳感器框圖

在提出的方案中，金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）在低于閥值和高于閥值區域運行。眾所周知，在常規情況下溫度依賴iD高于閥值，因此我們在亞閾值區域進行了分析，其中iD表示如下：

式中，q表示電子電荷，VDS表示漏源極電壓，VGS表示MOSF柵源電壓，T表示絕對溫度，VT為閾值電壓。

式中，μ表示有效的通道流動性，CX表示單位面積上的柵極電容，W和L分別表示通道寬度和長度。kB表示一個不依賴于溫度的參數。

式中，Cs，Ct以及Cox分別表示半導體，快界面態和氧化層電容。電流的溫度系數（TCC）與文獻［9］一致。

電流的溫度系數TCC取決于閾值電壓VT和載流子遷移率μ［9］。這些控制溫度變化的關系大概可以由文獻［11-12］表示：

式中，溫度系數αVT是負數。因此，載流子遷移率μ和閾值電壓VT均隨著溫度的增加而降低。而載流子遷移率趨于減弱電流的驅動能力，而閾值電壓趨于加強。由于降低閾值電壓比降低亞閾值區域的流動性更有效［11］，所以在該區域電流的溫度系數值是負數。因此，單個逆變器的時間延遲隨著溫度的增加而減少。因此，隨著溫度的增加，環形振蕩器的頻率也增加了。

為了獲得一個數字輸出，使用一個10 bit的數字計數器配合振蕩器工作，如圖3所示。因為在仿真水平很難預測振蕩器準確的自由運轉頻率，尤其是在亞閾值區域中，設置了一個分頻器，除數數值為2、4、8，并且數字計數器緊隨其后，以便確保運算的可靠性和正確性。

3 測試結果

提出的溫度傳感器采用0.18μm CMOS工藝進行設計和制作。實現的溫度傳感器的芯片顯微圖，如圖4所示。采樣率為10 Hz，足以滿足RFID協議的要求。

圖4 實現的溫度傳感器顯微圖

使用邏輯分析儀和示波器，對測試芯片進行測量，如圖5和圖6所示。溫度室設置和保持監控內部的溫度分辨率為0.1℃，溫度范圍在-20℃到120℃之間。函數發生器應用了假定從RFID讀卡器獲得的采樣時鐘。而環形振蕩器的驅動電壓為0.3 V，亞閾值區電壓，在低功率下運行，其他所有的模塊包括分頻器，多路復用器，和數字計數器。為了獲得可靠的實驗結果，在溫度變化非常緩慢的環境下對實現的芯片性能進行測量。

圖5 提出的CMOS溫度傳感器實驗設置

圖6 溫度傳感器實驗使用的高低溫試驗箱

其中，溫度范圍為-20℃到95℃，表1列出了計算出的動態性能參數。

表1 計算出的動態性能參數

環形振蕩器的測量溫度敏感性如圖7所示。正如所預期的結果，環形振蕩器的頻率隨著溫度的增加而增加。因此，實驗驗證表明，閾值電壓的降低比在亞閾值區域載流子遷移率的增加更有效。總體的溫度靈敏度曲線具有非線性特性，因為環形振蕩器從亞閾值區域到高于閾值區域貫穿了不同的操作區域。

圖7 當電壓為0.3 V時，振蕩器的溫度靈敏度

數字計數器量化的輸出如圖8所示。由于沒有分頻器數字的輸出溢出大約在90℃以上，所以從除以2的輸出開始測量溫度傳感器的性能。提出的溫度傳感器分辨率為0.4℃/LSB，10 bit數字輸出，溫度范圍在5℃到85℃之間。當利用MATLAB進行芯片外校準時，溫度范圍擴展到-20℃到95℃之間。溫度為20℃時，單個溫度傳感器的功耗是92 nW。在表2中列出了所提出的溫度傳感器與其他的溫度傳感器的測量性能總結。可以觀察到，本文提出基于環形振蕩器的CMOS溫度傳感器消耗的功率最低，占據的面積最小，同時具有良好的溫度分辨率和動態范圍。

圖8 利用分頻器獲得的數字輸出代碼

表2 溫度傳感性能參數的對比

4 結論

本文提出了一種基于環形振蕩器的CMOS溫度傳感器，在低于閥值區域功耗為92 nW。為了實現低功率運行，運用電流驅動的逆變器，環形振蕩器設計的閾下電壓為0.3 V。為了處理過程變異，可以對振蕩器的頻率進行數字修正。最后，由于溫度傳感器利用MOS晶體管的閾值電壓和載流子遷移率的溫度依賴性，因此與基于帶隙基準電壓和ADC的傳統CMOS溫度傳感器相比，它的結構非常簡單，芯片面積很小，而且具備相對良好的分辨率性能。

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何 歡（1973-），男（漢族），四川南江縣人，碩士，副教授，主要研究方向為計算機、算法研究、網絡通信、信息安全、風險評估、信息管理等領域研究，he365huan@ 163.com。

Design of COMS Low Power Temperature Sensor for RFID Tag*

HE Huan*
（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

In order to improve the operating distance of wireless radio frequency identification（RFID）tags，an ultralow power high precision CMOS temperature sensor integrated with RFID tag chip is proposed.The sensor circuit is composed of a new type of digital ring oscillator，a frequency divider，a multiplexer，and a 10 bit digital counter. Temperature is converted into digital output which is achieved during a sampling period by the number of the clock edge of the oscillator is obtained.The frequency of the oscillator can be corrected by means of a capacitor stack and a stack of transistors.Due to the temperature dependence of the threshold voltage and the carrier mobility of MOS transistor，the proposed sensor is simpler than the traditional temperature sensor.The measured data obtained by 0.18μm CMOS test chip show that the proposed temperature sensor resolution is 0.4℃/LSB，the 10 bit digital out?put，the calibration can be measured in the temperature range from-20℃to 95℃.When the sampling frequency is 10 Hz，the power consumption of the proposed sensor is only 92 nW.

temperature sensor；RFID；ring oscillator；low power consumption

TP212.4

A

1005-9490（2016）06-1456-04

7230；7320R

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.034

項目來源：教育部高校碩士點基金項目（200801120007）

2015-12-13 修改日期：2016-01-10