一種高精度CMOS 溫度傳感器自動校準方法*

毋天峰 ，白忠臣 ，張學恒 ，秦水介

（1.貴州大學大數據與信息工程學院，貴陽550025；2.貴州省光電子技術及應用重點實驗室，貴陽550025）

1 引 言

溫度作為現實生活中最常用到環境變量之一，與物理學、化學、機械學、生物學等應用領域均有密不可分的相關性，在許多應用中溫度的精確測量與控制都是一項至關重要的任務[1]。對于溫度傳感器來說，最需要關注的指標是精度，它是溫度傳感器的最基本性能，反映了該傳感器輸出與實際被測溫度間的差距。為實現溫度傳感芯片的高精度性能，在芯片封裝之后進行測試和校準是必不可少的步驟。校準可分為單個校準和成批校準。單個校準將每顆芯片進行單獨校準；成批校準則是選取所有芯片中的一部分，用這部分校準的平均值來校準所有芯片。對于CMOS 溫度傳感器的校準，一般需要多次精細的微調才能獲得高精度。因此，單個校準顯然具有更高的精度，但其校準過程非常費時，成本過高，并不適用于工業大批量生產的場合。成批校準技術就是為滿足工業大批量生產需求而出現的解決方案，但由于工藝偏差是隨機誤差，每顆芯片均采用同一校準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方法，以順應批量生產的自動校準技術需求。為確保此CMOS 溫度傳感器工作在精確的測試環境中，同時也提出了一種用以營造高精度、高穩定溫度測試環境的方法。

2 高穩定性測溫環境搭建

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

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

現有的常見的恒溫箱，其系統均采用BTC（強制性的自然通風內均衡控溫）方法實現控溫調節，即用加熱與制冷相平衡的方法進行控溫調節。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定溫度值，經過一系列運算，來調節加熱功率從而實現控溫。然而，采用這種方法測試，恒溫箱內測試環境的溫度波動度會在±0.5℃左右，遠遠超出芯片所要獲得的精度（如0.05℃），對獲得更高精度的環境溫度造成了限制。

為解決測試環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）搭建恒溫測試環境。圖1 為這一恒溫測試裝置的三維結構圖。

圖1 芯片恒溫測試裝置的三維結構圖

如圖所示，裝置采用導熱性好的材料制作一個容器，在容器內部搭建一個恒溫測試空間，周圍用比熱容大的液體包圍。容器凹槽內部空間為恒溫測試空間，為防止周圍環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蓋子。測試時，待測物需要放到容器凹槽內部恒溫測試空間進行測試。為解決導線接入問題，可在容器蓋子上留一個大小合適的孔，需要的導線都從小孔里接入接出。

3 自動校準方法

3.1 溫度傳感器自動校準

CMOS 溫度傳感器的結構框圖如圖2 所示。模擬感溫前端電路產生 ΔVBE和VBE兩個溫度相關的電壓信號。這兩個信號包含了所有有效的感溫信息，隨后由ADC 將這兩個電壓轉換成數字溫度讀數DOUT，最后通過數字接口電路與微處理器進行通信。

圖2 CMOS 溫度傳感器結構框圖

讀數DOUT獲得過程如下式所示：

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

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。由于進程擴展，VBE不能在片上實現精確校準，同時VBE的傳播又是一個與絕對溫度成比例（PTAT, Proportional to Absolute Temperature）的誤差[2]，因此需要一個能夠調節VBE的校準電路。校準電路原理圖如圖4 所示。RCAL是一個校準電阻網絡，它由7 個二進制權重的電阻串聯而成，每個電阻上都并聯一個開關，來控制該路電阻是否被接入。讓精確偏置電路產生的對β 值敏感的 PTAT 電流流過RCAL，取RCAL兩端電壓 VCAL作為校準電壓來補償VBE，可得 VCAL為：

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

圖3 帶外部電壓參考的溫度傳感器電路

圖4 校準電路原理圖

自動校準方法的算法流程圖如圖5 所示。使用此法實現自動校準的具體過程如下：

1) 根據圖3，通過開關 SCAL的選擇，外部精確參考電壓VEXT取代VBE被送入DSM 模數轉換器完成一次轉換。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 完成這個計算過程，然后將TREF存儲起來。

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

3) S1中的符號標志位被確定了后，最高有效位S2被置為 0，同時其他位保持不變。DSM 模數轉換器完成一次轉換，輸出為μ2并得到溫度T2。MCU 對TREF和T2進行比較，來決定S2是保持不變還是翻轉。重復上述過程直到最低有效位S8也被確定。當S2～S8都被確定后，校準電壓的大小也就被確定了。此時，整個校準過程也就完成了。

3.2 溫度傳感器芯片測試與校準

為驗證所提出的自動校準方法的有效性，在Global Foundries 的 0.18μm 標準 CMOS 工藝下進行流片測試。

圖5 自動校準方法算法流程圖

在芯片校準前，首先要測試溫度傳感器芯片的溫度系數。在高低溫交變試驗箱設定的多組溫度下，記為 T0、T1、T2…，在邏輯分析儀上求出前 10000 個時鐘周期對應的占空比，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字電源，工作電壓為1.35V，分別由電壓源供電；20 kHz 的采樣時鐘通過信號發生器提供；復位信號采用一個開關來手動控制；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 數字源表來提供。

每次采集數據前需要將復位端接地之后等待3～5 秒，待其內部電容充分放電，再接1.35 V，之后在邏輯分析儀上收集輸出端口的數據。收集的數據只需要前10000 個數字，統計里面1 數字的占比量，記為μ 值。需測多組μ 值求平均數且滿足μ 以萬分之一精度，即在小數點后第四位上變化。

以室溫環境下的測試為例。通過邏輯分析儀測出對應的占空比，記為 μ00、μ01、μ02…，并求出其平均值，記為μREF，后帶入相關公式求出室溫下對應的參考溫度，記為TREF。可以在高低溫交變試驗箱內設定多組不同測試環境溫度，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，即為校準點。

4 實驗結果

隨機選取三組芯片進行測試及校準，并給出對應的實驗結果。首先需測出CMOS 溫度傳感器芯片的溫度關系T＝676.5180 μ-307.9624。然后對芯片進行測試校準。測試得出三組芯片的S1皆為0，表示校準電壓VCAL的極性均為負。三組芯片的詳細校準結果數據由表1 給出。

表1 三組芯片校準結果

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

5 結 束 語

在新設計的方法中，利用比熱容較大的液體搭建恒溫測試環境，可使測試環境波動度穩定在所需精度內（如0.05℃），以此實現高穩定溫度測試環境的營造。在此方法的支持下，提出一種CMOS 溫度傳感器自動校準技術，利用電壓校準、單片機和微調網絡，可以實現逐次逼近的自動校準。該技術可實現機器自動校準，具有校準時間短、精度合理、溫度覆蓋范圍廣，校準功耗極低等優點。在室溫下進行實驗，通過2 秒的自動校準，CMOS 溫度傳感器校準之后的誤差值顯著較小，達到了設計的目的。