劉文娟， 趙毅強(qiáng)， 李雪民， 趙國芬

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)以及各類便攜式設(shè)備無不滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，由此引發(fā)的信息安全問題開始受到研究者的重視。在國防和軍事領(lǐng)域，信息疆域安全更成為了國家安全防御體系的新的著力點(diǎn)[1]。信息安全的核心在于保護(hù)信息系統(tǒng)和信息本身免受各類干擾、監(jiān)聽和破壞。針對半導(dǎo)體芯片的攻擊手段主要包括侵入式攻擊和非侵入式攻擊，而侵入式攻擊具有價(jià)格低廉、通用性強(qiáng)、攻擊效果較好的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今攻擊者非常熱衷的手段[2]。因此，在設(shè)計(jì)初期需要將抗攻擊防護(hù)機(jī)制考慮其中，設(shè)計(jì)具備監(jiān)測電路的安全芯片。

然而，侵入式攻擊往往發(fā)生在芯片掉電或者未使用的情況下，入侵者直接對芯片進(jìn)行開蓋、解剖，讀取重要信息甚至電路結(jié)構(gòu)。因此，需要在芯片封裝體內(nèi)嵌入微型電池進(jìn)行實(shí)時(shí)供電，長期監(jiān)測芯片狀態(tài)。眾所周知，電池只能在一定的溫度范圍內(nèi)正常工作，溫度過高或者過低都會(huì)影響電池輸出電壓從而導(dǎo)致芯片工作異常，引發(fā)新的安全問題。

本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器主要應(yīng)用于安全芯片電池供電系統(tǒng)的異常溫度監(jiān)測，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測芯片和電池所處環(huán)境的溫度值，當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)，安全芯片能夠及時(shí)感知并輸出報(bào)警信號。

1 溫度監(jiān)測傳感器的整體結(jié)構(gòu)

溫度監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括PN結(jié)溫度傳感器[3]和比較器。由于系統(tǒng)內(nèi)嵌電池選用高溫鋰亞硫酰氯電池[4，5]，其工作溫度范圍為-55～125 ℃，因此，溫度監(jiān)測系統(tǒng)的溫度閾值分別為-50，120 ℃。經(jīng)過對PN結(jié)溫度傳感器的仿真和測試，確定高溫和低溫基準(zhǔn)電壓閾值。當(dāng)環(huán)境溫度低于-50 ℃或者高于120 ℃時(shí)，比較器輸出相應(yīng)的預(yù)警信號，從而發(fā)現(xiàn)異常并做出響應(yīng)。

圖1 溫度監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 PN結(jié)溫度傳感器的工作原理

隨著標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的快速發(fā)展，在N阱工藝中能夠兼容CMOS晶體管、雙極型晶體管以及PN結(jié)，從而利用半導(dǎo)體的溫度、光電、壓電等效應(yīng)，制成種類繁多的半導(dǎo)體傳感器。已知PN結(jié)的正向偏置電壓與溫度相關(guān)，由PN結(jié)理想模型的電流電壓方程式即肖克萊方程式推導(dǎo)正向偏置電壓的溫度系數(shù)[6]。

已知PN結(jié)的電流電壓方程為

(1)

(2)

由于PN結(jié)結(jié)面積一定，所以,式(2)可改寫為

(3)

(4)

其中,B為一個(gè)比例系數(shù)，因?yàn)镋g=Eg(0)+βT，設(shè)Eg(0)=qVg0，Eg(0)為絕對零度時(shí)的禁帶寬度，Vg0為絕對零度時(shí)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱莶頪6]，由式(3)可推出

(5)

兩邊取對數(shù)，整理后得

(6)

其中，Vg0,k0,q,m與溫度無關(guān)，當(dāng)PN結(jié)電流I保持不變時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)，可以認(rèn)為PN結(jié)正向偏置電壓VD與溫度T呈近似線性關(guān)系，如圖2所示為正向偏置電流不同時(shí)，硅PN結(jié)(10 μm×10 μm)偏置電壓與溫度的關(guān)系。

圖2 硅PN結(jié)(10 μm×10 μm)正向偏置電壓與溫度的關(guān)系曲線

由圖可知，正向偏置電壓隨溫度升高而減小，當(dāng)電流減小時(shí)，溫度系數(shù)的絕對值增大。例如:偏置電流I=2 μA時(shí)，溫度系數(shù)為-2 mV/℃。PN結(jié)溫度傳感器正是利用其正向偏置電壓與溫度的相關(guān)性設(shè)計(jì)制作的。為了降低系統(tǒng)功耗，延長電池的工作壽命，電路需要選擇較小的偏置電流。

3 PN結(jié)溫度傳感器的電路設(shè)計(jì)

PN結(jié)正向偏置電壓與溫度的近似線性關(guān)系能夠滿足安全芯片的溫度監(jiān)測范圍(-50～120 ℃)。為保證電路的輸出擺幅與傳感器的靈敏度，采用PN結(jié)串聯(lián)的方式監(jiān)測溫度，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PN結(jié)溫度傳感器電路圖

考慮到PN結(jié)的溫度系數(shù)與電流相關(guān)，因此，溫度傳感器通過電流基準(zhǔn)進(jìn)行偏置。采用電流鏡M1與M2，M3與M4，M5與M6，M7，M8鏡像電流，M5，M6，M8的寬長比相等，M7的寬長比是M5的2倍，由此可知電流關(guān)系

(7)

正向偏置的PN結(jié)電流與PMOS管M6的電流相等，由圖3可知， PMOS管M7的電流分別流過M9和M10，得

IM7=IM9+IM10.

(8)

又由式(7)、式(8)，可得

(9)

4 測試與仿真結(jié)果

基于Global Foundry(GF)0.18 μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫[8～10]，在Cadence軟件環(huán)境下，對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行溫度仿真，在-50～120 ℃溫度范圍內(nèi)，芯片的仿真結(jié)果顯示:PN結(jié)溫度傳感器的溫度系數(shù)為-4.56 mV/℃，當(dāng)電源電壓為3.3 V時(shí)，功耗為10.04 μW。根據(jù)以上分析，采用GF 0.18 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)上述電路并流片測試，芯片版圖照片如圖4所示。

圖4 溫度監(jiān)測傳感器芯片照片

溫度傳感器芯片通過GZ—ESPEC高低溫試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出電壓隨溫度變化的測試曲線

測試結(jié)果表明:在溫度范圍-50～140 ℃內(nèi)，溫度傳感器的實(shí)測溫度系數(shù)為-4.47 mV/℃。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，溫度傳感器線性度良好，溫度系數(shù)基本恒定，經(jīng)過多片多次測試，不同芯片的溫度曲線重復(fù)性良好，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度監(jiān)測的功能。根據(jù)溫度測試試驗(yàn)，確定高低溫溫度閾值電壓，經(jīng)過仿真得如圖6所示監(jiān)測信號。

圖6 監(jiān)測信號隨溫度變化的曲線

5 結(jié)束語

考慮到該溫度監(jiān)測傳感器主要應(yīng)用于電池供電系統(tǒng)，要求芯片集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低等特性，因此，溫度監(jiān)測傳感器利用PN結(jié)正向偏置電壓的溫度特性設(shè)計(jì)PN結(jié)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)高線性度高穩(wěn)定性的溫度監(jiān)測輸出。經(jīng)過對芯片多次測試并仿真，在寬溫度范圍-50～140 ℃內(nèi)，溫度系數(shù)為-4.47 mV/℃，當(dāng)電源電壓為3.3 V時(shí)，功耗為10.04 μW，完全滿足安全芯片溫度監(jiān)測系統(tǒng)的工作要求。

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