一种提高半导体温度传感器测量精度的方法与流程

本发明涉及半导体装置和温度传感器
技术领域：
，具体是指一种提高半导体温度传感器测量精度的方法。
背景技术：
：半导体集成温度传感器是基于半导体芯片中p-n结的导通电压与温度成近似的比例关系而制成的，在电学信号中处理的物理量是代表温度信息的电压值或者电流值，即在温度传感器的应用中，真实的温度读数与代表温度信息的电压或者电流有着一一对应的关系。智能化温度传感器与水银温度计代表的传统温度传感器不同，智能化的温度传感器将温度信息数字化，以便于数字控制系统读取和处理数字信息而做出系统控制或者调整，或者以便于显示在电子设备的显示屏幕上。众所周知，数字化信息是不连续的离散信息，从连续变化的模拟温度物理量转换到不连续的离散数字化信息的过程，是我们熟知的模拟-数字转换的过程，这个过程由模拟-数字转换器(adc)完成。在理论上，模拟到数字的转换引入了量化误差，也叫量化噪声，量化误差具体表现在模拟物理量数值变化小于相邻的两个数字代码所代表的物理量数值之差(即adc术语中的最小数值位，lsb，所对应的模拟数值)的时候，adc输出的数字代码不会改变，即决定了模拟-数字转换的精度，也就是智能化温度传感器的温度精度。在实际上，除了模拟到数字的转换会带来量化误差之外，整个温度测量系统和电路信号处理所涉及到的电子器件都会不可避免的带来热噪声和散射噪声等等诸多非理想因素，这些噪声功率和非理想因素叠加起来在温度信号测量的物理量上，从而产生比理论上模拟到数字转换的量化误差更大的输出误差。由于人所处于的真实自然界的温度是一个连续变化的物理量，电压或者电流数值与温度之间的一一对应关系无法应精度的要求而做到无限分割，从而产生了温度传感器中代表温度信息的电压(或者电流)数值与温度的对应关系具有完美的线性度的要求。在这线性特性基础上，自然界温度测量对象的温度变化可以线性地对应到电压(或者电流)数值的变化上，从而完成温度信息的采集和以数字化通讯的方式传输出来。在模拟信号处理方法中，线性化的温度-电压值物理模型是基于以下的数学模型和物理规律而建立起来的。如图1所示，两个面积和形状严格匹配的双极型pnp晶体管bjt1和bjt2接成基极-集电极短接并连接至地线，两路成比例关系的偏置电流，i0和n倍的i0，分别流入bjt1和bjt2的发射极端口。该两路电流分别在双极型晶体管bjt1和bjt2的发射极到基极之间形成由于pn结导通而得到的电压vbe1和vbe2。上述两个pn结电压之差由如下关系得到：其中，η是与工艺有关的非理想因素，数值约等于1；k是玻尔兹曼常数，数值为1.38×10-23j/k；q为库伦常数，数值约等于9.0×109n·m2/c；t是以开尔文为单位的温度值；is是pnp双极型晶体管的饱和电流。由半导体器件物理特性决定的vbe是一个随温度变化而减小的物理量(即ctat特性，complementarytoabsolutetemperature)，其随温度变化而变化的曲线斜率约为-2mv/℃，而由图1所示的电路所产生的δvbe则是一个与温度成正比例关系(即ptat特性，proportionaltoabsolutetemperature)的物理量，其随温度变化而变化的曲线斜率除了与工艺常数、物理常数有关之外，完全决定于电路的设计变量n。将具有正温度系数的δvbe和具有负温度系数的vbe进行加权叠加，可以得到近似零温度系数的参考电压表达式vref：vref＝vbe1+α·δvbe(4)其中α是一个在电路系统中实施为固定增益系数的数值。根据上述给予半导体器件物理特性得到的物理规律，在温度传感器的实施中采取其数值适合于作为电学信号处理的物理量，即用模拟-数字转换电路去量化乘以增益系数之后的δvbe与参考电压这两个物理量之间的比值，即：在理想条件下，vref是一个与温度无关，或者至少是温度系数接近于零的常数；因此，比值μ是一个与温度成正比例关系的数值；考虑到实际电路的实施复杂程度，其用一个非线性的比值x进行处理，令:则：其中x是一个较为易于在以开关电容电路为核心的sigma-deltaa/d模数转换器电路中实施并测量而得到的物理量。在实践中，比值x是一个数值介于6至28的变量。比值x与数值μ的关系如图2所示。在数字逻辑域对上述得到的代表x值的数字码流进行简单的算术变换之后，得到其对应的数字代码即为以摄氏度为单位的数字输出值：dout＝a·μ-b(8)于是，代表温度的数字代码输出便建立在如图3所示的数学模型之上。其中，如果取半导体带隙基准电压vref＝vbe1+α·δvbe＝1.2伏，并且vbe的温度系数为-2mv/℃的话，a为600；b为vbe1＝1.2时所对应的温度，即绝对温标的零度，或-273℃，故b＝273。在实际的传感器温度测量实践中，a和b的取值会根据半导体工艺器件特性的略有不同而稍有变化。从图3中绘制的各曲线取值范围即可看出该数学模型几个关键要点：1、由电路实施而得到的δvbe是数值相对较小的物理量，不利于高精度的a/d转换操作；2、vref，即众所周知的带隙基准电压，在该数学模型中是一个理想化的零温度系数的直线，且其数值为1.2v，属于适合模拟信号处理的数值范围；3、a/d转换器输出的数字代码落于图3中横轴0-600开尔文的温度区间，图3中右边纵轴代表了增益放大后的ptat电压与vref的比值。图1所示的温度测量电路模型，以及图2、图3所示的模拟温度量进行数字量化的数学模型，开创了自1996年以来微电子学界研究和设计温度传感器的主流技术。自此之后的20余年发展时间内，微电子学界在温度传感器方面的研究和创新着重解决多样品之间测量统计的一致性，也即相对精度的问题。比如，运用斩波放大器消除关键模拟信号处理的放大器中失调误差而获得更高精度的温度信号处理；运用曲线修正技术和动态元素匹配技术而获得精确度更高的p-n结偏置电流来提高温度测量精度；运用先以逐次逼近型adc做粗略转换，再以高过采样率的电荷平衡型sigma-deltaadc做精细转换来提高a/d转换精度；运用pnp双极型晶体管β放大倍数补偿技术消除vbe的误差，并且将电荷平衡型sigma-deltaadc改成部分区域放大的(zoom)开关电容型一阶sigma-deltaadc，和开关电容型二阶sigma-deltaadc。但是，温度传感器的绝对精度，一直受限于该数学模型中几个主要的设计参数的非理想性因素而无法在实际应用中突破测量精度的瓶颈。比如，双极型晶体管的pn结导通而得到的电压vbe的数值与温度之间的-2mv/℃的线性关系在温度传感器所需要测量的全温度范围内，不是严格的线性，而带有二阶函数效应，如图4所示。更进一步地，在上述数学模型中建立起来的零温度系数的带隙基准参考电压vref并非完全严格的零温度系数，如图5所示。图5中的一组vref曲线为带隙基准电压产生电路中采用不同镜相电流比值和不同的双极型bjt三极管面积比值而得到的全温度范围内的带隙基准vref电压。很明显，理想状态下该曲线应该严格的为一条平行于代表温度数值的x-轴(即零温度系数)，数值恒等于1.2伏的直线；实际电路实现中，该数值有一定程度的变化。如果想达到更高精度的温度测量，需要实施诸多方面的曲线修正技术，如：1、产生vbe的偏置电流采取与温度成正比例关系的ptat电流；2、将有一个与温度相关的δvbe的值加入vbe的数值中以达到温度进一步的温度补偿效果；3、相应的在δvbe中加入与温度相关的数值来补偿vbe/δvbe的比值，也等同于在上述图3所示的数学模型中补偿了非理想温度系数偏差；上述几种曲线修正的方法在做到曲线修正的同时，都会对主要的信号处理电路带来进一步的复杂性，从而引入新的非理想因素。对于低成本的温度传感器应用市场，特别是与无线传感网络结合的温度传感器系统，过于复杂的补偿措施增加了系统功耗和引入了诸多其他未能透彻理解的非理想因素而达不到十分满意的效果。技术实现要素：本发明目的在于利用带有非挥发性内置存储器的温度传感系统的资源，将一系列关键的校准参数信息写入非挥发性内置存储器单元的一系列固定地址中，从而解决了现有温度传感器测量误差校准的问题，保持校准温度环境一致性的问题，以及总体上以低功耗的成本实现精确温度测量和无线传输的问题。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为，一种提高半导体温度传感器测量精度的方法，所述方法包括如下步骤：s1，利用电路模型产生两路与温度变化成线性关系的电压值vbe1、vbe2；s2，计算上述vbe1、vbe2二者的差值s3，设定比值变量x，所述比值变量s4，设定温度传感器的标准校准温度为t0，对应于该标准校准温度下，所述数学模型中的比值变量x为校准温度所对应的标准值x0，此时sigma-deltaad模数转换器输出的数字代码标准值为d0；s5，当实际校准环境温度为tn时，设定利用第n个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量为xn，sigma-deltaad模数转换器所输出的数字代码值为dn；s6，根据dout＝a·μ-b，δxn＝xn-x0推导得出δxn的值；s7，将上述δxn的值与其所对应的数字标识代码xn建立一一对应的二维表格，并写入内存地址addrx0中；s8，利用第n个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量xn与所述δxn的值相叠加，根据dout＝a·μ-b即可计算得出经过校准后的数字代码输出值dn。实现本发明目的的技术方案还进一步的包括，当所述tn＝t0，即实际校准环境温度与标准校准温度相同时，所述方法包括如下步骤：s1，利用电路模型产生两路与温度变化成线性关系的电压值vbe1、vbe2；s2，计算上述vbe1、vbe2二者的差值s3，设定比值变量x，所述比值变量s4，设定温度传感器的标准校准温度为t0，对应于该标准校准温度下，所述数学模型中的比值变量x为校准温度所对应的标准值x0，此时sigma-deltaad模数转换器输出的数字代码标准值为d0；s5，设定利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量为xi，sigma-deltaad模数转换器所输出的数字代码值为di；s6，根据dout＝a·μ-b，推导得出由于a,b,α均为数学模型中的已知常数，d0为数字代码标准值，di为第i个温度传感器成品进行温度测量所输出的数字代码值，故而δxi可以准确的计算出；s7，将上述δxi的值与其所对应的数字标识代码xi建立一一对应的二维表格，并写入内存地址addrx0中；s8，利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量xi与所述δxi的值相叠加，根据dout＝a·μ-b即可计算得出经过校准后的数字代码输出值又或者是，当所述tn≠t0，即实际校准环境温度与标准校准温度不相同时，所述方法包括如下步骤：s1，利用电路模型产生两路与温度变化成线性关系的电压值vbe1、vbe2；s2，计算上述vbe1、vbe2二者的差值s3，设定比值变量x，所述比值变量s4，设定温度传感器的标准校准温度为t0，对应于该标准校准温度下，所述数学模型中的比值变量x为校准温度所对应的标准值x0，此时sigma-deltaad模数转换器输出的数字代码标准值为d0；s5，设定利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量为xi’，sigma-deltaad模数转换器所输出的数字代码值为di’；s6，根据所述xi’的值判定所述实际校准环境温度tx的温度区间范围，将对应于该温度区间范围内的温度偏差补偿值δvref补偿至xi’，即，xi＝xi’+δvref；s7，根据dout＝a·μ-b，推导得出由于a,b,α均为数学模型中的已知常数，d0为数字代码标准值，di为第i个温度传感器成品进行温度测量所输出的数字代码值，故而δxi可以准确的计算出；s8，将上述δxi的值与其所对应的数字标识代码xi建立一一对应的二维表格，并写入内存地址addrx0中；s9，利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量xi与所述δxi的值相叠加，根据dout＝a·μ-b即可计算得出经过校准后的数字代码输出值相比于其它现有的温度传感器技术，本发明具有如下的创新性特点：1、本发明涵盖了对温度测量和转换的数学模型中两个关键的参数进行校准的方法，带隙基准电压vref和比值x，以解决温度传感器产品中精度校准所面临的两种不同性质的困难；2、在标准的校准温度点实行对关键比值参数x的校准，将其偏差值写入内置的非挥发性存储器单元中，以便该温度传感器在实际使用中能够随时读出校准时写入的偏差值而做到偏差补偿，实现了精确度的提高；3、对于非标准校准点的校准操作，本发明将带隙基准电压vref的经验偏差值分段，再将每段的细微偏差值写入内置非挥发性存储器单元阵列中，以便在初步测量到关键比值参数x的数值之后，能够根据预设的偏差值进行细微调整而提高温度测量精度；4、本发明解决了对温度传感器只能在单一标准校准点上进行校准的缺陷，避免了不同生产制造批次之间的温度传感器校准不一致的困难；5、本发明不但适用于温度传感器封装成成品阶段的校准，也适用于半导体温度传感器处于晶圆的生产制造阶段，而且是成本非常低的晶圆级校准技术；6、本发明采用内置非挥发性存储器资源、读取设备驱动软件和数字逻辑处理的手段实施，不需要芯片中额外的复杂电路作为校准电路，用标准的温度测量参考设备即可做到，实施成本低，效果简单有效而可靠。附图说明图1为基于bjt晶体管的p-n结测量温度的电路模型；图2为温度传感器数字化数学模型中x与μ的函数关系图；图3为所测量温度值的数字化输出数学模型图；图4为pn结导通电压vbe与温度的非理想关系曲线图；图5为带隙基准参考电压在全温度范围内与温度的非理想关系曲线图；图6为本发明的半导体温度传感器校准方法流程框图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图6所示为本发明的半导体温度传感器校准方法流程框图，本发明所述一种提高半导体温度传感器测量精度的方法，包括如下步骤：s1，利用电路模型产生两路与温度变化成线性关系的电压值vbe1、vbe2；s2，计算上述vbe1、vbe2二者的差值s3，设定比值变量x，所述比值变量s4，设定温度传感器的标准校准温度为t0，对应于该标准校准温度下，所述数学模型中的比值变量x为校准温度所对应的标准值x0，此时sigma-deltaad模数转换器输出的数字代码标准值为d0；s5，当实际校准环境温度为tn时，设定利用第n个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量为xn，sigma-deltaad模数转换器所输出的数字代码值为dn；s6，根据dout＝a·μ-b，δxn＝xn-x0推导得出δxn的值；s7，将上述δxn的值与其所对应的数字标识代码xn建立一一对应的二维表格，并写入内存地址addrx0中；s8，利用第n个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量xn与所述δxn的值相叠加，根据dout＝a·μ-b即可计算得出经过校准后的数字代码输出值dn。然而，在实际的校准过程中，可能面临着两种不同的校准环境，即，实际校准环境温度tn与标准校准温度t0相同，和实际校准环境温度tn与标准校准温度t0不相同，两种不同的校准环境下，校准的方法是不相同的。当实际校准环境温度与标准校准温度相同，即tn＝t0时，所述方法包括如下步骤：s1，利用电路模型产生两路与温度变化成线性关系的电压值vbe1、vbe2；s2，计算上述vbe1、vbe2二者的差值s3，设定比值变量x，所述比值变量s4，设定温度传感器的标准校准温度为t0，对应于该标准校准温度下，所述数学模型中的比值变量x为校准温度所对应的标准值x0，此时sigma-deltaad模数转换器输出的数字代码标准值为d0；s5，设定利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量为xi，sigma-deltaad模数转换器所输出的数字代码值为di；s6，根据dout＝a·μ-b，推导得出由于a,b,α均为数学模型中的已知常数，d0为数字代码标准值，di为第i个温度传感器成品进行温度测量所输出的数字代码值，故而δxi可以准确的计算出；s7，将上述δxi的值与其所对应的数字标识代码xi建立一一对应的二维表格，并写入内存地址addrx0中；s8，利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量xi与所述δxi的值相叠加，根据dout＝a·μ-b即可计算得出经过校准后的数字代码输出值当实际校准环境温度与标准校准温度不相同，即tn≠t0时，所述方法包括如下步骤：s1，利用电路模型产生两路与温度变化成线性关系的电压值vbe1、vbe2；s2，计算上述vbe1、vbe2二者的差值s3，设定比值变量x，所述比值变量s4，设定温度传感器的标准校准温度为t0，对应于该标准校准温度下，所述数学模型中的比值变量x为校准温度所对应的标准值x0，此时sigma-deltaad模数转换器输出的数字代码标准值为d0；s5，设定利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量为xi’，sigma-deltaad模数转换器所输出的数字代码值为di’；s6，根据所述xi’的值判定所述实际校准环境温度tx的温度区间范围，将对应于该温度区间范围内的温度偏差补偿值δvref补偿至xi’，即，xi＝xi’+δvref；s7，根据dout＝a·μ-b，推导得出由于a,b,α均为数学模型中的已知常数，d0为数字代码标准值，di为第i个温度传感器成品进行温度测量所输出的数字代码值，故而δxi可以准确的计算出；s8，将上述δxi的值与其所对应的数字标识代码xi建立一一对应的二维表格，并写入内存地址addrx0中；s9，利用第i个温度传感器成品进行温度测量时，比值变量xi与所述δxi的值相叠加，根据dout＝a·μ-b即可计算得出经过校准后的数字代码输出值由图4可知，假定带隙基准电压vref在25℃的点上达到零温度系数，在温度值范围为-50℃～150℃内，当实际环境温度与图4中曲线零温度系数的温度点相距较远(温度区间段为25摄氏度)时，所述δvref的数值变化区间为1mv～5mv。具体的，温度区间与所述δvref的数值可通过下表一一对应：区间编号区间温度范围vref偏差值(δvref)区间一-50℃～-25℃-5.0mv区间二-25℃～0℃-3.0mv区间三0℃～25℃-1.5mv区间四25℃～50℃-1.5mv区间五50℃～75℃-3.0mv区间六75℃～100℃-4.5mv区间七100℃～125℃-6.0mv区间八125℃～150℃-7.5mv由以上表格可以看出，在任意的25摄氏度的温度区间段内，δvref数值的变化小于20％·δvrefmax。本申请中由vref的偏差折算比值x的偏差的方法的中心思想，就是由温度传感器电路测量出方程(6)中的比值x的数值，根据其数值大小而判定当前温度所处在温度区间，再根据该温度区间内有经验得到的vref的偏差值δvref，根据一定的比例添加到所测量的比值x的数值上，得到方程(5)中的μ的数值，最后在数字逻辑域将比值μ换算成方程(8)中代表客观温度的二进制数字码流，并通过有线或者无线通讯手段传输到读取设备上。本发明在实施温度转换的基本数学模型的电路基础上，并不需要过多的曲线修正电路技术即可提高无线传感网络中的温度传感器的测量精度，其主要技术手段是结合了温度传感器中必不可少的成品校准检测过程中得到的该温度传感器的校准参数、温度传感器系统中内置的非挥发性存储器的数据保存特性、以及温度传感器所对应的目标检测温度范围，采取区间分段拟合ptat参数的方法，带入温度转换数学模型中，从而做到超越半导体器件非理想特性本身的一个精确测量，该方法与现有技术的区别点在于结构简单，易于实施，在现有系统架构基础上不增加过多的非理想因素的修正电路即可实现。当前第1页12