包括MOS传感器、特别是TMOS传感器的电路装置、以及用于操作该电路装置的对应方法与流程

本公开的实施例涉及包括mos传感器、特别是tmos传感器的电子电路装置、以及用于操作该电路装置的对应方法。

背景技术：

1、热mos(tmos)是指例如以标准cmos-soi技术制造的mos晶体管，其是通过适当的微加工和干法蚀刻工艺用“悬浮”硅块制造的。连接部分的表面(在其中获取tmos的硅部分与管芯的剩余部分的硅之间)被制成尽可能小(与连接本身的机械强度兼容)，以使tmos与管芯的其余部分之间的绝缘热最大化。

2、例如，如果希望测量ir辐射，则以ir(红外)辐射仅影响tmos并且然后加热它的方式制造传感器，而如果例如希望制造气体传感器，则制造传感器结构，使得气流流过tmos，从而加热它。tmos存在于其中的大部分硅与管芯的其余部分之间的高度隔热确保了tmos从待测量的外部量(ir、气流等)接收的热量导致更高的tmos温差。

3、tmos的温度变化由于晶体管本身的电流电压(i-v)特性而被转换成电信号。以这种方式，tmos成为用于以低成本来开发各种新一代传感器的关键元件，诸如红外温度传感器、入侵传感器、气流传感器等。

4、除了tmos传感器直接集成在cmos-soi技术内这一事实所带来的成本优势之外，使用mos晶体管作为有源感测元件在内部增益、传感器内部的多路复用和高温灵敏度方面具有优势。由于tmos可以在亚阈值模式下执行，消耗非常低的功率，因此基于tmos技术的传感器适合插入由电池供电的非常低功耗的系统中，从而允许与移动电话、智能家居、物联网和安全领域的应用相关的广泛应用。

5、为了按要求操作，tmos传感器必须被适当偏置，然后由温差产生的小电流信号必须被放大并且被后处理。因此，设计适当的读取电路架构对于正确检测由tmos传感器产生的信号至关重要。

6、这里所描述的解决方案涉及一种包括tmos传感器布置的电子电路装置，该tmos传感器布置旨在：在检测由tmos传感器产生的信号时允许高分辨率；以及避免在mems技术中添加用于生产这样的传感器的进一步昂贵的工艺步骤的必要性，目的是避免由于esd保护而导致的不期望的泄漏电流，确定在读取由tmos产生的信号时的误差。

7、tmos传感器的芯片可以通过以“堆叠模式”(即，一个在另一个之上)布置两个硅管芯来获取，然后通过接合技术将两个硅管芯彼此耦合。tmos传感器的管芯例如通过专用工艺技术cmos h9soi(即，在130nm技术节点处使用绝缘体上硅(soi)衬底)来获取，然而，由于成本和性能原因，使用该工艺技术不方便获取用于信号调节和读取的asic接口。包含用于信号调节和读取的asic接口的管芯通过标准cmos h9a技术(即，在130nm技术节点处使用体半导体衬底)来获取，其确实包含用于获取tmos传感器的专用工艺步骤。tmos传感器的管芯的每个端子和asic的管芯的每个端子必须耦合到焊盘，以便允许两个硅管芯之间的接合。在每个焊盘上，必须放置esd保护，以便保护器件免受在管芯组装期间可能发生的esd放电的影响。

8、在图1a中，就这一点而言，图1a示出了tmos传感器的架构10(即，电路装置)、和已知的读取布置，该读取布置允许在数字域中检测、放大和转换由tmos传感器产生的传感器信号。

9、附图标记11指示tmos传感器，该tmos传感器包括两个tmos晶体管mblind和mexp。在所考虑的实施例中，这些晶体管是场效应晶体管，例如n沟道fet。在各种实施例中，这两个tmos晶体管设置在同一集成电路/管芯内，并且具有相同特性，特别是关于晶体管的尺寸；即，晶体管mblind实质上是晶体管mexp的副本。优选地，tmos晶体管mblind和mexp被定位为彼此靠近。

10、用附图标记20指示的电子读取电路被配置为放大跨两个晶体管的差分信号，例如晶体管mblind与mexp的漏极端子之间的差分信号。例如，如下文所述，这使得能够抑制到达tmos传感器本身的两个晶体管的共模信号和干扰。

11、差分信号源于tmos晶体管mexp“暴露”的事实，即，tmos晶体管mexp被配置为暴露于待测量的量在其上产生的温度变化，而另一tmos晶体管mblind是“盲”的，即，tmos晶体管mblind被配置为使得待测量的物理量对其没有任何影响。

12、例如，待测量的量是由设置在距tmos传感器11一定距离处的物体产生的红外辐射。众所周知，红外辐射是物体本身的温度的函数。因此，对由物体发射的红外辐射的测量能够间接测量物体的温度。在这种情况下，晶体管mblind因此被屏蔽而没有受到ir辐射，而晶体管mexp被配置为接收由物体产生的ir辐射。因此，由晶体管mexp接收的ir辐射的功率将引起晶体管mexp(而不是晶体管mblind)的轻微加热。这种温度上的差因此跨传感器11生成差分信号的变化，读取电路20应当放大该变化。事实上，通常，晶体管mexp的温度的微小变化会导致晶体管mexp的i-v特性内的微小偏移，这又会跨晶体管mblind与mexp生成差分信号的微小变化。

13、因此，通常，待测量的物理量(ir辐射、气流等)产生的晶体管mexp(而不是晶体管mblind)的温度变化导致晶体管mexp的电特性(而不是晶体mblind的电特性)的变化，这又导致读取电路应当放大的差分信号的变化。相反，读取电路应当被配置为使得晶体管mexp和mblind上的共模变化(例如，环境温度的变化、以及通常是所有共模干扰的变化)将不会产生差分信号的任何变化，并且因此它们的影响被滤波/补偿。

14、尽管本公开被设计和研究用于尽可能多地放大由tmos传感器11生成的信号，所提出的电子读取电路在使用两个传统的mos晶体管而非tmos晶体管的情况下也是可行的且合适的，因为读取电路被配置为放大跨两个晶体管的差分信号(诸如两个n沟道晶体管的漏极端子处的差分信号)。

15、如前所述，电子读取电路应当放大两个晶体管mblind与mexp之间的差分信号。为了生成这样的差分信号，因此需要生成晶体管mblind和mexp的适当偏置的电路。

16、例如，在所考虑的实施例中，电子读取电路为该目的而包括两个电流发生器206和208。特别地，电流发生器206串联耦合到晶体管mblind的源极漏极路径，并且电流发生器208串联耦合到晶体管mexp的源极漏极路径。

17、例如，在所考虑的实施例中，晶体管mblind和mexp是n沟道晶体管。在这种情况下，也如文献美国专利申请公开no.2017/02055366a1(通过引用并入本文)中所述，电流发生器206可以(例如，直接)耦合在晶体管mblind的漏极端子与参考电压vdd之间，该参考电压vdd例如对应于集成电路的电源电压。同样，电流发生器208可以(例如，直接)耦合在晶体管mexp的漏极端子与参考电压vdd之间。

18、晶体管mblind的栅极端子(例如，直接)耦合到晶体管mexp的栅极端子，而晶体管mexp又(例如，直接)耦合到参考电压vg。通常，当使用两个普通晶体管而非tmos晶体管时，输入信号可以被施加在晶体管mblind和mexp的栅极端子之间。

19、图1a的电路还包括共模控制电路。特别地，晶体管mblind的源极端子(例如，直接)耦合到晶体管mexp的源极端子，晶体管mexp又通过晶体管mb(例如，间接)耦合到参考电压，例如接地gnd。考虑到tmos晶体管是n沟道晶体管，优选地，晶体管mb也是n沟道晶体管。然后，晶体管mb的漏极端子(例如，直接)耦合到晶体管mblind的源极端子和晶体管mexp的源极端子(即，端子106)，并且晶体管mb的源极端子(例如，间接)耦合到参考电压(例如，gnd)。

20、因此，传感器11通过三个端子耦合到读取电路20：与晶体管mblind的漏极端子相对应的端子102；与晶体管mexp的漏极端子相对应的端子104；以及与晶体管mblind和mexp的源极端子相对应的端子106。

21、电流发生器206和208中的每个电流发生器提供电流ib。例如，电流发生器206和208可以用电流镜来实现。因此，在图1的电路中，晶体管mexp和晶体管mblind的偏置电流基本上等于ib，而晶体管mb的电流基本上等于2·ib。

22、因此，电路的这一部分基本上对应于例如在美国专利us 6,693,485b1(通过引用并入本文)中所述的运算跨导放大器。

23、在图1a的电路中，晶体管mb的栅极端子由控制电路204驱动。特别地，控制电路204被配置为监测在晶体管mblind的漏极端子处的电压vo2和晶体管mexp的漏极端子处的电压vo1，以及根据上述电压生成用于晶体管mb的栅极端子的驱动信号。特别地，控制电路204被配置为控制(经由电压vo1和vo2的反馈)晶体管mb的栅极处的电压，使得电压vo1和vo2的共模等于参考电压vcm；即，控制电路204被配置为调节晶体管mb的栅极到源极电压vgs以使得：

24、(vo1+vo2)/2＝vcm

25、控制电路204可以通过一个或多个运算放大器用调节器来实现，该调节器包括至少一个分量i(积分)和可能的分量p(比例)，控制电路204在这里由简单的比较电路15(即，差分放大器)示意性地表示，该比较电路15根据上述定律接收电压vo1和vo2以及参考电压vcm，以输出晶体管mb的栅极到源极电压vgs。

26、读取电路被配置为使得晶体管mblind和mexp被偏置以在亚阈值区域中操作。例如，一旦晶体管mexp和mblind的偏置电流固定为等于ib，这些晶体管的大小就可以具有足够高的比率(宽度/长度w/l)，以保证栅极与源极端子vgs之间的电压低于晶体管的阈值电压vt，即，vgs<vt。

27、因此，晶体管mblind的漏极端子和晶体管mexp的漏极端子耦合到读取电路20，读取电路20检测并且放大节点102、104处的信号，特别地，电路20包括用于分别接收第一传感器信号电流is/2和第二传感器信号电流is/2的两个输入端子。这样的端子表示为vo1和vo2，作为传感器11的暴露的和盲的fet的漏极上的电压，其也对应于偏置电流ib被注入其中的偏置电流发生器208、206的输出节点。在图1a中，这样的传感器信号电流被带到电流到电压(即，跨阻抗)放大器13的输入，放大器13转换它们的差并且产生模拟差分电压vadc。模数转换器14转换数字传感器输出out中的模拟差分电压vadc。

28、图1b示出了添加有esd保护的相同架构。

29、tmos传感器11在相应传感器管芯301(cmos h9soi)上获取，其中源极焊盘sp耦合到fet mblind、mexp的源极，栅极焊盘gp耦合到它们的栅极电极，第一漏极焊盘dbp和第二漏极焊盘dep分别耦合到fet mblind和mexp的漏极。

30、如上所述，这样的传感器管芯301将被接合到asic管芯(这里用附图标记302指示)。如上所述，tmos传感器的管芯的每个端子和asic的管芯的每个端子必须耦合到焊盘，以便允许两个硅管芯之间的接合。在每个焊盘上，必须放置esd保护，以保护器件免受在管芯组装期间可能发生的esd放电的影响。

31、因此，图1a的电路的其余部分(即，组件204、206、208、13、14)被放置在asic管芯302上，并且包括耦合到电压源vdd的输入焊盘p1、耦合到与节点vo1相对应的电流到电压放大器13的输入的输入焊盘p2、耦合到与节点vo2相对应的电流到电压放大器13的输入的输入焊盘p3、用于施加栅极参考电压vg的输入焊盘p4、耦合到fet mb的漏极(即，节点106)的输入焊盘p5、以及耦合到fet mb的源极和接地gnd的输入焊盘p6。

32、放置在asic管芯302(例如，cmos h9a)上的esd保护电路21包括分别耦合到焊盘p1、p2、p3、p4、p5、p6的焊盘e1、e2、e3、e4、e5、e6(即，用于电路21的管芯303的端子与读取电路20的asic管芯302之间的接合)、以及分别耦合到传感器焊盘dbp、dep、gp、sp的焊盘es1、es2、es3、e4(即，用于电路21的管芯303的端子与传感器电路11的传感器管芯301之间的接合)。

33、箝位二极管22的阴极耦合到焊盘e1并且其阳极耦合到焊盘e6。焊盘es2和e2耦合在一起以将焊盘dbp耦合到焊盘p2，焊盘es3和e3耦合在一起以将焊盘dep耦合到焊盘p3。焊盘es4和e4耦合在一起以将焊盘gbp耦合到焊盘p4。焊盘es5和e5耦合在一起以将焊盘sp耦合到焊盘p5。

34、焊盘e1并联耦合到四个二极管d1、d3、d5、d7的阴极，其中第一二极管d1通过阳极耦合到焊盘e2(和es2)，第二二极管d3通过阳极耦合到焊盘e3(和es3)，第三二极管d5通过阳极耦合到焊盘e4(和es4)，第四二极管d7通过阳极耦合到焊盘e5(和es5)。

35、焊盘e6并联耦合到另外的四个二极管d2、d4、d6、d8的阳极，其中第一二极管d2通过阳极耦合到焊盘e2(和es2)，第二二极管d4通过阳极耦合到焊盘e3(和es3)，第三二极管d6通过阳极耦合到焊盘e4(和es4)，第四二极管d8通过阳极耦合到焊盘e5(和es5)。

36、一个管芯的焊盘通过相应接合(例如，引线接合310)耦合到另一管芯的焊盘。如上所述，本文中描述的实施例对应于在asic管芯302中具有esd保护电路21，例如h9a，即，分别将焊盘dbp、dep、gp、sp与es1、es2、es3、es4耦合的接合线。在变型实施例中，保护电路21可以在传感器管芯301中获取，在这种情况下，接合线分别将焊盘e1、e2、e3、e4、e5、e6与p1、p2、p3、p4、p5、p6耦合。对性能的考虑可以建议将电路21放入asic管芯302中，如图1b所示的实施例中所示。

37、因此，esd保护电路21是介于在一侧上的这样的传感器电路11的至少上述第一节点(例如，焊盘dbp)和第二节点(例如，焊盘dep)与差分电流读取电路20的第一端子和第二端子之间的电路，其特别地包括多个二极管，例如，二极管d1、……、d10，阻断来自电压源vdd和接地gdd的电流在传感器电路11的这样的节点dbp、dep和差分电流读取电路20的端子中的注入。

38、在高分辨率应用中，tmos 11传感器的信号电流必须以皮安的精度读取。通过esd保护注入焊盘中的噪声、特别是泄漏的大小通常大于皮安，因此大于所需要的精度，因此，图1a、图1b的架构不适合高分辨率应用。

39、在图1b中，还示出了由tmos传感器11产生的信号贡献、分别在fet mexp和mblind的漏极中流动的电流iexp和iblind、由esd保护在tmos传感器11的漏极焊盘dbp、dep上注入的不期望的贡献(泄漏加噪声)(is1、is2、is3、is4)、由esd保护通过偏置电流发生器206、208注入偏置电流ib而在tmos传感器11的漏极焊盘dbp、dep上注入的不期望的贡献(泄漏加噪声)(is5、is6)。在已知的结构中，这些干扰尤其是相关的，因为在fet mexp和mblind的漏极上注入时，它们在实际传感器信号、电流iexp和iblind上求和，并且变得与这样的传感器信号不可区分。

40、应当注意，栅极端子上不期望的电流信号在图1b中没有突出显示，因为根据定义，电流不能在栅极端子上流动，因此栅极端子上不会出现问题。还应当注意，源极端子上的不期望的电流信号在图1b中没有突出显示，因为它们被高度拒绝，因此在大多数应用中，由源极端子注入的不期望的信号在与tmos传感器的有用信号相加之前被高度衰减。因此，在图1a中，只有tmos fet mexp和mblind的有用电流以及主要的不期望的分量。以下等式报告了到adc转换器14的输入电压和adc转换器相对于电路装置10的输出，如图1b所示：

41、vadc＝[(iexp-iblind)+(is1-is2)+(is4-is3)+(is5-is6)]·gain以及

42、out(i)＝outadc(i)＝vadc·gadc

43、＝[(iexp-iblind)+(is1-is2)+(is4-is3)+(is5-is6)]·gain·gadc

44、其中(is1-is2)是由焊盘dbp的二极管保护注入的泄漏，(is4-is3)是由焊盘dep的二极管保护注入的泄漏；(is5-is6)是由注入偏置电流ib的电流源206、208注入的噪声，则gain是电流到电压放大器13的增益，gadc是adc转换器14的增益。out是数字输出，其中索引i标识采样间隔，其在这种情况下对应于adc转换器14的输出outadc。(iexp-iblind)是实际的或期望的tmos传感器信号，而(is1-is2)+(is4-is3)+(is5-is6)是不期望的信号或杂散信号。

45、因此，总之，在图1a和图1b的架构中，由esd保护产生的不期望的信号(以及来自偏置电流发生器的干扰)限制了读取来自tmos传感器的实际(即，期望的)传感器信号的分辨率。

46、考虑到上述情况，本领域需要提供能够克服上述限制中的一个或多个的解决方案。

技术实现思路

1、一个或多个实施例包括电路装置，该电路装置包括具有不同元件的基于mos、特别是tmos的传感器。

2、此外，实施例涉及用于一种用于操作这样的电路装置的对应方法。

3、本公开的各个实施例涉及一种包括传感器电路和上述传感器电路的信号的电子读取电路的电路装置，上述传感器电路包括：以差分对布置的第一fet和第二fet，该第一fet和第二fet将差分电流提供给相应第一节点和相应第二节点；上述电子读取电路包括：差分电流读取电路，该差分电流读取电路包括耦合到上述第二节点的第一输入端子和耦合到上述第一节点的第二输入端子，上述差分电流读取电路至少包括耦合到上述第二节点和上述第一节点以输出数字信号的模数转换器；上述电路装置包括esd保护电路，该esd保护电路介于上述传感器电路的至少上述第一节点和第二节点与上述差分电流读取电路的第一端子和第二端子之间，该esd保护电路特别地包括二极管，该二极管阻断来自电压源和接地的电流在上述节点和传感器电路的这样的节点中的端子中以及在差分电流读取电路的端子中的注入，上述esd保护电路将杂散电流与上述差分传感器电流相加。该电路装置包括：相位时钟信号发生器，该相位时钟信号发生器生成周期与模数转换器的采样间隔相对应的互补相位时钟信号。传感器电路还包括：用于在输入上述esd保护电路之前根据互补相位时钟信号的上述周期来切换上述差分传感器电流的符号的电路。差分电流读取电路包括被配置用于根据相位时钟信号的上述周期的值来操作其输出处的信号选择、选择上述差分传感器电流并且消除上述杂散电流的电路。

4、在各种实施例中，被配置用于根据相位时钟信号的上述周期的值来操作信号选择的上述电路包括斩波器电路和数字平均电路，该斩波器电路耦合到esd保护电路的输出，被配置为切换其输入处的信号的极性，该数字平均电路耦合到模数转换器的输出，上述数字平均电路在采样间隔窗口内执行平均，该采样间隔窗口是互补相位时钟信号的上述周期的两倍。

5、在各种实施例中，上述斩波器电路耦合到模数转换器的输入。

6、在各种实施例中，上述斩波器耦合到数模转换器的输出，并且以数字方式操作。

7、在各种实施例中，被配置用于根据相位时钟信号的上述周期的值来操作信号选择的上述电路包括带通∑-δ转换器和耦合到带通∑-δ模数转换器的输出的上述数字平均电路，该数字平均电路相对于带通∑-δ转换器的输出作为抽取滤波器进行操作。

8、在各种实施例中，用于根据互补相位时钟信号的上述周期来切换上述差分传感器电流的符号(在输入上述esd保护电路之前)的上述电路包括：耦合在第一fet和第一节点与第二fet和第二节点之间的fet的另外的第一差分对和第二差分对；上述相位时钟信号发生器生成互补相位，其中模数转换器的每个采样间隔驱动该另外的第一差分对和第二差分对。

9、在各种实施例中，上述传感器包括：第一fet和第二fet；第一节点、第二节点和第三节点，其中上述第一fet的漏极端子耦合到上述第一节点，上述第二fet的漏极端子耦合到上述第二节点，并且上述第一fet的源极端子和上述第二fet的源极端子耦合到上述第三节点；第一偏置电流发生器，该第一偏置电流发生器被配置为在上述第一偏置电流发生器的输出处生成偏置电流，其中上述第一偏置电流发生器的输出耦合到上述第一节点；第二偏置电流发生器，该第二偏置电流发生器被配置为在上述第二偏置电流发生器的输出处生成偏置电流，其中上述第二偏置电流发生器的输出耦合到上述第二节点；以及第三fet，其中上述第三fet的漏极端子耦合到上述第三节点，并且上述第三fet的源极端子耦合到参考电压。

10、在各种实施例中，调节电路被配置为驱动上述第三fet的栅极端子，以将上述第一节点处的电压和上述第二节点处的电压的共模调节为所需要的值，特别地，上述调节电路被配置为驱动上述第三fet的上述栅极端子，使得：

11、(vo1+vo1)/2＝vcm，

12、即，上述第一节点处的电压和上述第二节点处的电压之和的一半等于所需要的值。

13、在各种实施例中，上述第一fet和上述第二fet是mos晶体管，优选地是n沟道器件，特别是tmos晶体管。

14、在各种实施例中，上述传感器电路被布置在第一管芯上，上述差分电流读取电路被布置在第二管芯上，并且上述esd保护电路被布置在第三管芯上。

15、本文中描述的解决方案还涉及一种用于操作根据前述实施例的电路装置的方法，该方法包括：生成周期与模数转换器的采样间隔相对应的互补相位时钟信号；在输入esd保护电路之前，根据互补相位时钟信号的上述周期来切换上述差分传感器电流的符号；以及根据相位时钟信号的上述周期的值来操作esd保护电路的输出处的信号选择、选择上述差分传感器电流并且消除上述杂散电流。