基于熱擴散的集成溫度傳感器資料說明

　　溫度在許多物理、化學和生物過程中起著至關重要的作用，因此溫度傳感器的應用非常廣泛。由于集成電路（IC）技術的進步，集成溫度傳感器已經成為可能，這種傳感器是測量溫度并將此信息報告給控制器或最終用戶的小型硅芯片［1.1］工業和軍事應用。這主要是因為它們成本低，體積小，使用方便，誤差小。集成溫度傳感器通?；跍y量雙極結晶體管（bjt）的溫度相關特性，這可以在大多數IC技術中實現。為了進一步降低成本，它們可以在相對成熟的集成電路工藝中制造，因為它們不需要存儲器和處理器芯片中的最新集成電路技術。從歷史上看，集成溫度傳感器已經滿足了大型（電子系統）的獨立溫度傳感需求，但是最近，集成溫度傳感的新應用出現了。其中最重要的一點是微處理器和其他大型數字芯片的熱管理：CMOS技術的快速改進使得計算能力呈指數級增長，這一過程通常被稱為“摩爾定律”。隨著晶體管變小，它們變得更快，并且更多的晶體管可以放置在同樣的硅面積：微處理器中的數字電路密度因此增加了一個數量級。然而，微處理器的能量密度也顯著提高，由于這種現代微處理器的熱容量有限，因此需要先進的熱管理系統來優化其性能，同時保持可靠性。這需要小型、快速和準確的溫度傳感器。然而，在獨立應用中廣泛應用的基于BJT的傳感器在現代CMOS工藝中實現時，其性能下降。BJT不像CMOS器件那樣縮小尺寸，基于BJT的傳感器的誤差急劇增加，達到幾攝氏度。這使得目前和未來大規模集成電路技術中熱管理系統的需求難以滿足。本論文將探討一種不同的溫度傳感原理，使得在現代CMOS工藝中實現更小、更精確、更節能的傳感器成為可能。這種傳感器測量熱量在硅中擴散所需的時間。由于硅中的聲子輸運與溫度密切相關，這種熱飛行時間傳感器的延遲是絕對溫度的測量。由于集成電路中使用的硅是非常純凈的，因此所提出的傳感機制可以非常精確。此外，由于光學光刻技術的不斷改進，可以越來越精確地確定飛行時間的測量距離。與基于BJT的傳感器相比，該傳感器應遵循摩爾定律，從而在現代CMOS工藝中提供更好的溫度傳感性能。這將為大型數字芯片的熱管理提供一個有效且經得起未來考驗的解決方案。其他應用也可能受益于所提出的傳感器，因為它使用了與現有傳感器根本不同的傳感原理。本文將討論這種熱飛行時間傳感器的建模與實現。它還將顯示所需的電路讀出和數字化他們的輸出。隨后將介紹一些測量結果，然后得出關于這種新型傳感器家族的可行性和有用性的結論。本章將繼續概述現有的溫度傳感器及其應用，包括其優缺點。然后，根據現有的現有技術及其未來的潛力，對所提出的傳感器進行定位。本章最后概述了本文的結構。