一种高温非硅基测温集成电路 |
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| 申请号 | CN202311836920.2 | 申请日 | 2023-12-28 | 公开(公告)号 | CN117906771A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 浙江大学; 中国航天科工飞航技术研究院; | 发明人 | 凌博毅; 叶志; 安康; 孙鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高温非 硅 基测温集成 电路 ，该电路基于金属 氧 化物 薄膜 晶体管的 温度 与其 阈值 电压 的关系实现，利用 薄膜晶体管 在一定源漏电压下，输出 电流 对电容进行充电至一定电压，不同温度对应不同阈值电压则对应不同输出电流从而对应不同充电时间，通过检测电容充电时间实现测得温度。电路包含温度传感模 块 、ADC模块及自动复位模块；温度传感模块包括氧化锌薄膜晶体管、电容、电容充电 开关 、电容放电开关，ADC模块包括多级 反相器 级联单元、计数器单元、 并串转换 单元及曼彻斯特编码单元。该电路得最高测量温度范围可达‑50℃—250℃，且电路具有自动复位功能，可自主循环测量温度，采用多级反相器级联整形，简化了电路，降低了功耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高温非硅基测温集成电路，其特征在于，该电路基于金属氧化物薄膜晶体管的温度与其阈值电压的关系实现，利用金属氧化物薄膜晶体管在一定源漏电压下，输出电流对电容进行充电至一定电压，不同温度对应不同阈值电压则对应不同输出电流从而对应不同充电时间，通过检测电容充电时间实现测得温度。 |
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| 说明书全文 | 一种高温非硅基测温集成电路技术领域背景技术[0003] 其次其可在低电压操作，相对于硅晶体管，金属氧化物薄膜晶体管具有更低的工作电压，这可以降低功耗和提高电池续航能力。同时其具有更低的制造成本，与硅晶体管相比氧化锌薄膜晶体管可以使用较低成本的材料和工艺制造。 [0004] 此外，相对于硅晶体管，金属氧化物薄膜晶体管的制造和处理过程中所产生的污染物更少，具有更好的生态环保性。 [0005] 现今的数字温度传感器基本是使用硅工艺所生产的芯片，可测量温度范围一般为‑55℃～125℃,而无法进行更高温度的测量，经过大量研究和实验，我们发现氧化锌薄膜晶体管的正电压温度应力测试中，在200℃时，阈值电压温漂较小。因此，它在200℃甚至更高温度下也可以正常工作，因此，本发明设计一种ZnO‑TFT基传感电路方案以在更高范围内检测温度。 发明内容[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高温非硅基测温集成电路，使用氧化锌等金属氧化物薄膜晶体管设计测温电路，解决现有数字温度传感器无法测量高温的问题，降低功耗和成本。 [0007] 本发明采用的技术方案是： [0008] 一种高温非硅基测温集成电路，该电路基于金属氧化物薄膜晶体管的温度与其阈值电压的关系实现，利用金属氧化物薄膜晶体管在一定源漏电压下，输出电流对电容进行充电至一定电压，不同温度对应不同阈值电压则对应不同输出电流从而对应不同充电时间，通过检测电容充电时间实现测得温度。 [0009] 上述技术方案中，进一步地，电路包含温度传感模块、ADC模块及自动复位模块； [0012] 闭合电容充电开关，打开电容放电开关，则金属氧化物薄膜晶体管输出电流向电容进行充电，则计数器单元开始计数，并将输出保存至并串转换单元，当充到一定电压时，则多级反相器级联输出一个高电平EN信号，该信号使计数器模块停止计数，并串转换单元将计数器输出结果移位串行输出至曼彻斯特编码单元，进行编码输出，同时自动复位模块产生复位信号，断开电容充电开关，闭合电容放电开关，使电容放电并重置所有模块，放电结束后重新闭合电容充电开关，打开电容放电开关将重新进行第二次测量。 [0013] 相比于其他传统硅基CMOS晶体管，本发明采用金属氧化物如氧化锌薄膜晶体管设计测温电路。还可采用多模传感电路，可测量多种指标，如温度、湿度、压力等。 [0015] 根据本发明的一种具体实施例，金属氧化物薄膜晶体管共五层结构，第一层氧化铟锡(ITO)作为源漏极材料，第二层氧化锌(ZnO)、IGZO、IZO、或铟、锡、锌的混合氧化物材料作为沟道，第三、四层氧化铝(Al2O3)作为绝缘层，第五层氧化铟锡(ITO)作为栅极材料；衬底根据需要选择。 [0016] 根据本发明的一种具体实施例，金属氧化物薄膜晶体管采用氧化锌薄膜晶体管；电路包括： [0017] 温度传感电路：由于温度与ZnO‑TFT的阈值电压具有一定的线性关系，同时NMOS管的电流与阈值电压也有一定关系，在一定的电压下，不同的阈值电压，对应不同的电流，不同的电流对电容的充电时间不一样，因此可以通过电容充电时间测得温度。并且还可以采用多模传感，通过四通道NMOS开关控制所需测量的参数。 [0018] ADC模块：采用单斜率ADC，简化电路结构并降低成本，也能保证基本精度。由于在各种温度下，电容充电电压都是达到3.1V左右时(充电电压可根据电容大小、计数器范围、充电快慢需求通过改变阈值电压进行调整)，后续所接多级反相器输出的翻转电压为一个高电平，将反相器翻转电压作为比较器输出信号控制ADC模块其他单元运行，从而不必专门设计比较器电路达到简化设计的目的。 [0019] 此模块其他单元包括计数器单元和并行转串行单元、曼彻斯特编码电路，计数器采用九位异步计数，通过或非门停止时钟的方式达到低电平使能；并串转换单元与计数器单元相连采用控制信号做到低电平写入，高电平移位，输出九位串行数字码。曼彻斯特编码电路：与并行转串行单元输出相连，将输出的九位串行码编码输出为18位数字码。 [0020] 自动复位电路：通过逻辑设计控制输出以及电容充放电实现电路循环测温功能。根据本发明的一种具体实施例，温度传感模块，即氧化锌TFT输出电流向电容进行充电，且计数器模块开始计数，并串转换模块同时将计数结果保存，当充到3.1V左右时，经过十个反相器输出一个高电平EN信号，该信号会使计数器模块停止计数，使并串转换模块保存的结果进行移位输出，并连接到曼彻斯特编码模块编码输出，当输出完有效信号时，复位电路模块产生复位信号使电容放电并重置所有模块，放电结束后将重新进行第二次测量。 [0021] 本发明的有益效果是： [0022] 与传统CMOS电路完全不同，本发明中使用的晶体管为薄膜晶体管，以氧化锌(ZnO)、IGZO、IZO、或铟、锡、锌的混合氧化物等材料作为沟道，氧化铟锡(ITO)作为栅极材料和电信号传输介质，氧化铝(Al2O3)作为绝缘层，衬底不再仅限使用大面积的硅，而是可以自由选择，如廉价材料(可大幅度降低造价)，透明材料(可继承衬底透明特性)，柔性材料(可继承衬底优秀的延展性)等，大大降低成本。 [0023] 采用ZnO薄膜晶体管器件完成了整个电路的设计以及版图的绘制，包含温度传感模块、ADC模块、自动复位电路模块，并仿真测试成功，采用多级反相器级联整形实现无需比较器的单斜率ADC，简化了电路，降低了功耗，最高测量温度范围可达‑50℃—250℃。 [0024] 设计了电路自动复位功能，可自主循环测量温度。 [0025] 采用信号复用、计数器复用的思想，大大降低了功耗和面积。 [0027] 图1为ZnO‑TFT顶栅结构图。 [0028] 图2为50℃—250℃下ZnO‑TFT NMOS的ID‑VG转移特性图。 [0029] 图3为200℃ZnO‑TFT NMOS的ID‑VG转移特性图。 [0030] 图4为测温电路整体框图。 [0031] 图5为传统的三管温度传感电路。 [0032] 图6为温度感应电路原理图。 [0033] 图7为ZnO‑TFT阈值电压‑温度关系图。 [0034] 图8为不同温度下电容充电曲线图。 [0035] 图9为并行转串行电路原理图。 [0036] 图10为曼彻斯特编码电路图。 [0037] 图11为自动复位电路原理图。 [0038] 图12为自动复位电路仿真图。 [0039] 图13为整体多模传感电路原理图。 [0040] 图14为50℃输出仿真图。 [0041] 图15为125℃输出仿真图。 [0042] 图16为200℃输出仿真图。 [0043] 图17为电路版图设计。 [0044] 图18为后仿真输出结果。 具体实施方式[0045] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步地详细说明。 [0046] 本发明整个电路芯片均采用氧化锌薄膜晶体管等金属氧化物薄膜晶体管代替传统CMOS晶体管，以氧化锌薄膜晶体管为例，通过薄膜沉积技术将ZnO‑TFT器件一层层的沉积在衬底上，通过光刻以及腐蚀来得到具体的图形。ZnO‑TFT器件主要有底栅和顶栅结构，本发明实施例中使用的ZnO‑TFT采用顶栅结构如图1所示，将栅极放在最上层，顶栅结构可以比底栅结构更好地保护半导体有源层。第一层为源漏电极层，材料根据需要可以是ITO也可以是Cr/Au。第二层为沟道有源区，通过ALD沉积20nm的ZnO材料覆盖在源漏之上，上面同时也沉积了一层10nm的Al2O3，可避免ZnO直接与水、酸碱的接触。第三层为20nm的Al2O3绝缘层。第四层为栅极电极层，根据需要材料可以是ITO或Cr/Au，厚度根据工艺的要求而决定。其中沟道层也可以采用IGZO、IZO、或铟、锡、锌的混合氧化物材料，形成其他的金属氧化物薄膜晶体管。 [0047] 本发明通过大量实验并对工艺参数进行调整，最终得到了优良的ZnO TFT特性。图2所示为在50℃—250℃，VDS＝5V下，ZnO‑TFT NMOS器件保持良好的转移特性。图3所示为200℃ZnO‑TFT NMOS的ID‑VG曲线图，表明该器件在200℃高温下的阈值电压温漂较小，因此该器件的耐高温性优良，适合于高范围检测温度。 [0048] 总体框图： [0049] 本发明以氧化锌薄膜晶体管为设计主体，设计了完整的具有自动复位功能的测温电路，其整体结构框图如图4所示，包含温度传感电路，ADC模块电路，复位模块电路。 [0050] Iout为温度感应电路产生的输出电流，此电流为电容Cp充电，此时开关A闭合，打开，ADC模块开始工作，计数器开始计数，当电容两端电压达到一定值时输出高电平EN使计数器停止工作，其中数字电路部分得到的输出通过后续电路处理编码得到一串串行输出数字码。 [0051] 当输出结束后，复位电路模块产生复位信号Rst使开关A打开，闭合，并清零各寄存器的值，同时电容进行放电，放电一定时间结束后此模块会产生一个Restart信号使复位电路模块停止工作，并闭合开关A，断开 ，电容重新开始充电，测温电路准备进行下一次测温。 [0052] 电路原理方案： [0053] 1.温度传感电路 [0054] 1.1利用阈值电压检测温度 [0055] 传统的三管温度传感器电路结构如图5所示，可以根据阈值电压Vth和增益因子β与温度的关系，得到一个与温度成线性关系的电流来检测温度。从图5中可以观察到M4、M5、M6、M7构成了cascade电流镜，M2、M3的电流等于M1管电流，M8、M9管分别跟随M3、M2管电流。 [0056] 可以得到， [0057] 由式可知电流有一个很小的变化率，该电路结构简单、性能稳定，由于cascade电流镜的运用，输出电压的电源抑制比较低。 [0058] 但电流随温度的变化并不是完全线性的，所以需要比较精密的校准电路，这会大大增加整体电路的功耗。 [0059] 1.2温度感应电路 [0060] 经过尝试，图5所示的温度传感电路经优化后仍不适合于本发明的设计方案，其输出电流不便连接到后续的电路。本发明实施例设计如图6所示的温度感应电路，其中的MOS管均为增强型NMOS。其中一个NMOS提供电路输入电流，第二和第三个NMOS管为控制电容充放电的开关MOS管，起到复位电路的作用。 [0061] 通过测量高电平的产生时间作为电容充电时间，电容充电时间与计数器计数是线性的，因此若得到温度与电容充电时间的关系，便可以通过计数结果直接测量温度。 [0062] 通过大量实验测试得出温度与ZnO‑TFT的阈值电压具有一定的关系，如图7所示。可见其是一个线性度较好的曲线，较容易拟合得到温度与模拟输出的关系，同时可以通过改变阈值电压的方式模拟不同的环境温度，易于仿真测试。得到阈值电压和温度的关系，NMOS管的电流与Vth也有一定关系，在一定的电压下，不同的阈值电压，对应不同的电流，不同的电流对电容的充电时间不一样，因此可以通过电容充电时间测得温度。 [0063] 图8所示为50℃‑200℃下的电容充电曲线以及EN信号的输出曲线。温度越低，阈值电压越高，电流越小，充电时间越长，我们将其放在同一张仿真图上更容易观察变化，可以看到当电容两端电压达到3.1V左右时多级反相器便会输出一个高电平信号。 [0064] 2.ADC模块 [0065] 本发明实施例设计了一种无须比较器的ADC电路，包含计数器、并串转换、曼彻斯特编码。 [0066] ①由于ZnO‑TFT器件在不同温度下通过反相器的翻转电压阈值基本相同，因此可以直接使用后接反相器的方式实现比较器。经过仿真测试发现，电容两端电压达到3.1V左右，便会通过双反相器产生一个高电平，此高电平信号决定后续数字部分的工作，该特性恰好发挥了ADC电路中比较器的作用。图6所示电容充电电压后接了十个反相器而不是双反相器，其目的是为了整形反相器的输出，使其更接近理想反相器输出，以在最短时间内输出高电平。 [0067] ②计数器模块(即电容充电计数器)采用九位异步计数的方式，并带有低电平复位端和低电平使能端，使能的原理为使用一个或非门，输入端连接时钟和EN，当EN为高电平时，使计数器的时钟输入端置零，从而使计数器停止计数；当EN为低电平时，时钟正常输入，计数器正常工作。即电容充电时计数器计数，高电平使能到来时停止计数。 [0068] ③图9所示ADC模块中的并串转换电路的一种具体电路结构，使用W&S控制信号控制该电路功能，当其为低电平时，移位寄存器会存储计数器中的每一位输出值；当其为高电平时，每一个寄存器的输出为上一个寄存器的输出，即移位寄存器会逐位右移输出九位串行码。 [0069] 设计逻辑为 [0070] [0071] 因此，我们恰可以将电容充电产生的EN信号作为此控制信号，当电容充电时，EN为低电平，计数器正常计数，产生的输出保存在该模块中；当EN为高电平时，计数器停止计数，保持输出，而此电路模块便会将计数器输出结果移位串行输出。 [0072] ④本发明采用双时钟输入的曼彻斯特编码电路，如图10所示。 [0073] 该电路设计方式只需要一个全局时钟的输入，其中clk/2为全局时钟的二分频时钟。输入一个高电平，在分频时钟前半周期输出低电平，在后半周期输出高电平；输入一个低电平，在时钟前半周期输出高电平，在后半周期输出低电平。 [0074] 其输出逻辑为 [0075] 该电路中的使能端EN即电容充电后输出的高电平，将ADC模块产生的串行输出作为输入编码并输出，传入后续的单片机中处理。 [0076] 该模块首先可以使信号具有良好的同步性，由于每个位的状态都用两个电平表示，因此接收端可以通过检测电平的变化来判断每个位的状态，从而保证信号的同步性。其次，使信号具有较高的抗干扰性，曼彻斯特编码的每个位都包含两个电平变化，因此即使出现了一定的噪声干扰，也能够通过检测两个电平变化来判断位的状态，从而提高了信号的抗干扰性。除此之外，数据中有大量连续的高电平时，负载连续工作可能会增大整个电路的功耗，导致芯片供能不足，为此，曼彻斯特编码器对低功耗无源芯片是非常有用的。 [0077] 3.自动复位电路 [0078] 本发明采用了一种自动复位的思想，使用计数器复用的思想，达到控制寄存器清零以及电路重新启动的功能。用一个四位计数器(复位计数器)控制输出的位数以及复位信号的产生。当曼彻斯特编码电路输出18位数字码后，此计数会输出复位信号清零电容充电计数器、移位寄存器、曼彻斯特编码器等，同时断开电容充电开关，闭合电容放电开关。 [0079] 输出的Release信号表示电容开始放电，为保证电容充分放电，用一个七位计数器(counter_6)控制放电时间，基本保证电容完全放电，当放电结束后，会输出一个Restart信号，使复位计数器(counter_4)清零，复位信号失效，打开电容放电开关，闭合电容充电开关，从而重置电路起始状态，电容重新开始充电。 [0080] 重置电路控制信号的逻辑表达式为 [0081] Restart＝discharge·EN+Rst·discharge·EN！ [0082] discharge信号即为counter_7的输出信号，表示电容放电完毕。图11为本发明的一种具体实现电路实例，其中复位电路是基于上述思路实现，具体如图11中框线内所示。 [0083] 图12所示为200℃下循环输出的串行数字码，复位电路工作正常，可实现自动复位重置电路。 [0084] 4.整体电路 [0085] 图13所示电路即为整体测温电路，在前端模拟电路中添加多模传感通道，通过译码器的选择，可测四种不同的模拟量。图14为50℃下输出的串行数字码，充电时间为933.1ms，所采用计数时钟周期为2ms，理论计数466，实际计数为465。图15所示为125℃下输出的串行数字码，充电时间为324ms，理论计数162，实际计数为161。图16所示为200℃下输出的串行数字码，充电时间为147.3ms，计数时钟周期为理论计数73，实际计数为72。 [0086] 5.版图设计 [0087] 如图17所示为测温电路原理图的版图设计，左边为接地线，右边为电源线，部分模块采用共用电源线的方式减小版图面积，其中补充了用于探针测试的PAD以测量重要信号的输出。图18所示为200℃下提取版图参数后的后仿真结果，理论技术为13，实际计数为12，符合设计要求。 |
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