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        一種高精度CMOS 溫度傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)方法*

        2021-05-10 03:10:06毋天峰白忠臣張學(xué)恒秦水介
        微處理機(jī) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:測(cè)試環(huán)境恒溫溫度傳感器

        毋天峰 ,白忠臣 ,張學(xué)恒 ,秦水介

        (1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽550025;2.貴州省光電子技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽550025)

        1 引 言

        溫度作為現(xiàn)實(shí)生活中最常用到環(huán)境變量之一,與物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域均有密不可分的相關(guān)性,在許多應(yīng)用中溫度的精確測(cè)量與控制都是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)[1]。對(duì)于溫度傳感器來說,最需要關(guān)注的指標(biāo)是精度,它是溫度傳感器的最基本性能,反映了該傳感器輸出與實(shí)際被測(cè)溫度間的差距。為實(shí)現(xiàn)溫度傳感芯片的高精度性能,在芯片封裝之后進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)是必不可少的步驟。校準(zhǔn)可分為單個(gè)校準(zhǔn)和成批校準(zhǔn)。單個(gè)校準(zhǔn)將每顆芯片進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn);成批校準(zhǔn)則是選取所有芯片中的一部分,用這部分校準(zhǔn)的平均值來校準(zhǔn)所有芯片。對(duì)于CMOS 溫度傳感器的校準(zhǔn),一般需要多次精細(xì)的微調(diào)才能獲得高精度。因此,單個(gè)校準(zhǔn)顯然具有更高的精度,但其校準(zhǔn)過程非常費(fèi)時(shí),成本過高,并不適用于工業(yè)大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。成批校準(zhǔn)技術(shù)就是為滿足工業(yè)大批量生產(chǎn)需求而出現(xiàn)的解決方案,但由于工藝偏差是隨機(jī)誤差,每顆芯片均采用同一校準(zhǔn)值勢(shì)必會(huì)大幅度降低精度[2-8]。鑒于這一“成本”與“精度”的矛盾,在此提出一種基于逐次逼近算法的電壓自動(dòng)校準(zhǔn)方法,以順應(yīng)批量生產(chǎn)的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)需求。為確保此CMOS 溫度傳感器工作在精確的測(cè)試環(huán)境中,同時(shí)也提出了一種用以營造高精度、高穩(wěn)定溫度測(cè)試環(huán)境的方法。

        2 高穩(wěn)定性測(cè)溫環(huán)境搭建

        溫度傳感器以溫度作為測(cè)試對(duì)象,故此需要進(jìn)行熱學(xué)測(cè)試環(huán)境的搭建。在此采用在-50℃到160℃溫度范圍內(nèi)精度可達(dá)±0.05℃的Fluke1551A 手持式溫度計(jì)來精確測(cè)溫。采用一個(gè)溫度可編程控制的高低溫交變?cè)囼?yàn)箱來提供-60℃到150℃的溫度環(huán)境,該溫度箱左右兩側(cè)均留有便于外部測(cè)試使用的圓形開槽,進(jìn)行高低溫測(cè)試時(shí)該開槽可用橡膠塞密封。為確保被測(cè)芯片和參考溫度計(jì)的實(shí)際溫度在空間和時(shí)間上的一致性,需要將參考溫度計(jì)Fluke 1551A 的探頭盡可能靠近被測(cè)芯片;同時(shí)在讀取溫度讀數(shù)時(shí),讓高低溫交變?cè)囼?yàn)箱控制溫度不變一段時(shí)間后,待參考溫度計(jì)讀數(shù)長(zhǎng)時(shí)間不再變化時(shí),再讀取被測(cè)芯片和參考溫度計(jì)的讀數(shù)。

        對(duì)高精度溫度傳感芯片的測(cè)試,要求測(cè)試環(huán)境的溫度波動(dòng)非常小,此時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度波動(dòng)度應(yīng)控制在測(cè)試所需的溫度精度以下。

        現(xiàn)有的常見的恒溫箱,其系統(tǒng)均采用BTC(強(qiáng)制性的自然通風(fēng)內(nèi)均衡控溫)方法實(shí)現(xiàn)控溫調(diào)節(jié),即用加熱與制冷相平衡的方法進(jìn)行控溫調(diào)節(jié)。加熱功率受控制器控制,其工作原理是控制器通過比較傳感器檢測(cè)到的溫度值與儀表設(shè)定溫度值,經(jīng)過一系列運(yùn)算,來調(diào)節(jié)加熱功率從而實(shí)現(xiàn)控溫。然而,采用這種方法測(cè)試,恒溫箱內(nèi)測(cè)試環(huán)境的溫度波動(dòng)度會(huì)在±0.5℃左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出芯片所要獲得的精度(如0.05℃),對(duì)獲得更高精度的環(huán)境溫度造成了限制。

        為解決測(cè)試環(huán)境的溫度波動(dòng)度問題,在此利用比熱容較大的液體(比如水、油)搭建恒溫測(cè)試環(huán)境。圖1 為這一恒溫測(cè)試裝置的三維結(jié)構(gòu)圖。

        圖1 芯片恒溫測(cè)試裝置的三維結(jié)構(gòu)圖

        如圖所示,裝置采用導(dǎo)熱性好的材料制作一個(gè)容器,在容器內(nèi)部搭建一個(gè)恒溫測(cè)試空間,周圍用比熱容大的液體包圍。容器凹槽內(nèi)部空間為恒溫測(cè)試空間,為防止周圍環(huán)境溫度對(duì)這一狹小測(cè)試空間造成較大影響,可給小容器加上一個(gè)蓋子。測(cè)試時(shí),待測(cè)物需要放到容器凹槽內(nèi)部恒溫測(cè)試空間進(jìn)行測(cè)試。為解決導(dǎo)線接入問題,可在容器蓋子上留一個(gè)大小合適的孔,需要的導(dǎo)線都從小孔里接入接出。

        3 自動(dòng)校準(zhǔn)方法

        3.1 溫度傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)

        CMOS 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。模擬感溫前端電路產(chǎn)生 ΔVBE和VBE兩個(gè)溫度相關(guān)的電壓信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)包含了所有有效的感溫信息,隨后由ADC 將這兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字溫度讀數(shù)DOUT,最后通過數(shù)字接口電路與微處理器進(jìn)行通信。

        圖2 CMOS 溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖

        讀數(shù)DOUT獲得過程如下式所示:

        其中,α 是使 VREF成為與溫度無關(guān)的帶隙基準(zhǔn)電壓的增益因子,A 和B 是將μ 值轉(zhuǎn)換成以攝氏度為單位的溫度讀數(shù)的縮放系數(shù)。

        添加了外部電壓參考的溫度傳感器電路原理圖如圖3 所示。由于進(jìn)程擴(kuò)展,VBE不能在片上實(shí)現(xiàn)精確校準(zhǔn),同時(shí)VBE的傳播又是一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例(PTAT, Proportional to Absolute Temperature)的誤差[2],因此需要一個(gè)能夠調(diào)節(jié)VBE的校準(zhǔn)電路。校準(zhǔn)電路原理圖如圖4 所示。RCAL是一個(gè)校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò),它由7 個(gè)二進(jìn)制權(quán)重的電阻串聯(lián)而成,每個(gè)電阻上都并聯(lián)一個(gè)開關(guān),來控制該路電阻是否被接入。讓精確偏置電路產(chǎn)生的對(duì)β 值敏感的 PTAT 電流流過RCAL,取RCAL兩端電壓 VCAL作為校準(zhǔn)電壓來補(bǔ)償VBE,可得 VCAL為:

        其中,電阻R0決定了校準(zhǔn)的最小步長(zhǎng);開關(guān) S1用于控制校準(zhǔn)電壓RCAL的極性;開關(guān)S2~S8用于控制校準(zhǔn)電壓 VCAL的大??;β 為前向電流增益。VCAL和 VBE同時(shí)輸入到DSM(Delta-Sigma Modulator),需要一個(gè)單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn),可在芯片外部設(shè)置實(shí)現(xiàn)。

        圖3 帶外部電壓參考的溫度傳感器電路

        圖4 校準(zhǔn)電路原理圖

        自動(dòng)校準(zhǔn)方法的算法流程圖如圖5 所示。使用此法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)的具體過程如下:

        1) 根據(jù)圖3,通過開關(guān) SCAL的選擇,外部精確參考電壓VEXT取代VBE被送入DSM 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換。假定外部參考電壓VEXT足夠精確,TREF則足夠精確且可作為溫度參考。片外的MCU 完成這個(gè)計(jì)算過程,然后將TREF存儲(chǔ)起來。

        2) SCAL切換回去,將 VBE送入 DSM,傳感器進(jìn)入正常工作模式。初始態(tài)下,S1置為1 ,表示正的VCAL,S2~S8全部被置為 1,表示 RCAL=0。DSM 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換,輸出為μ1。經(jīng)過合適的比列縮放,得到開氏溫度 T1。MCU 對(duì) TREF和T1進(jìn)行比較,來決定S1中的符號(hào)標(biāo)志位為1 還是為0。這一過程決定了校準(zhǔn)電壓的極性,即送入 DSM 的校準(zhǔn)電壓為正還是為負(fù)。

        3) S1中的符號(hào)標(biāo)志位被確定了后,最高有效位S2被置為 0,同時(shí)其他位保持不變。DSM 模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換,輸出為μ2并得到溫度T2。MCU 對(duì)TREF和T2進(jìn)行比較,來決定S2是保持不變還是翻轉(zhuǎn)。重復(fù)上述過程直到最低有效位S8也被確定。當(dāng)S2~S8都被確定后,校準(zhǔn)電壓的大小也就被確定了。此時(shí),整個(gè)校準(zhǔn)過程也就完成了。

        3.2 溫度傳感器芯片測(cè)試與校準(zhǔn)

        為驗(yàn)證所提出的自動(dòng)校準(zhǔn)方法的有效性,在Global Foundries 的 0.18μm 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝下進(jìn)行流片測(cè)試。

        圖5 自動(dòng)校準(zhǔn)方法算法流程圖

        在芯片校準(zhǔn)前,首先要測(cè)試溫度傳感器芯片的溫度系數(shù)。在高低溫交變?cè)囼?yàn)箱設(shè)定的多組溫度下,記為 T0、T1、T2…,在邏輯分析儀上求出前 10000 個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)的占空比,記為 μ0、μ1、μ2…,然后求出其線性回歸的擬合直線。

        測(cè)試過程中需要模擬電源地和數(shù)字電源,工作電壓為1.35V,分別由電壓源供電;20 kHz 的采樣時(shí)鐘通過信號(hào)發(fā)生器提供;復(fù)位信號(hào)采用一個(gè)開關(guān)來手動(dòng)控制;DSM 的輸出采用邏輯分析儀來采集;精確的外部參考電壓源通過最大誤差為±5 μV 的Keithley 2400 數(shù)字源表來提供。

        每次采集數(shù)據(jù)前需要將復(fù)位端接地之后等待3~5 秒,待其內(nèi)部電容充分放電,再接1.35 V,之后在邏輯分析儀上收集輸出端口的數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)只需要前10000 個(gè)數(shù)字,統(tǒng)計(jì)里面1 數(shù)字的占比量,記為μ 值。需測(cè)多組μ 值求平均數(shù)且滿足μ 以萬分之一精度,即在小數(shù)點(diǎn)后第四位上變化。

        以室溫環(huán)境下的測(cè)試為例。通過邏輯分析儀測(cè)出對(duì)應(yīng)的占空比,記為 μ00、μ01、μ02…,并求出其平均值,記為μREF,后帶入相關(guān)公式求出室溫下對(duì)應(yīng)的參考溫度,記為TREF??梢栽诟叩蜏亟蛔?cè)囼?yàn)箱內(nèi)設(shè)定多組不同測(cè)試環(huán)境溫度,并求出不同溫度下的TREF。采用逐次逼近法從 S2~S8= 1111111 或者從 S2~S8=0000000 找到最接近TREF的點(diǎn),即為校準(zhǔn)點(diǎn)。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        隨機(jī)選取三組芯片進(jìn)行測(cè)試及校準(zhǔn),并給出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先需測(cè)出CMOS 溫度傳感器芯片的溫度關(guān)系T=676.5180 μ-307.9624。然后對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)。測(cè)試得出三組芯片的S1皆為0,表示校準(zhǔn)電壓VCAL的極性均為負(fù)。三組芯片的詳細(xì)校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)由表1 給出。

        表1 三組芯片校準(zhǔn)結(jié)果

        由表1 可知,三組芯片在室溫下通過校準(zhǔn)后,精度得到有效提升,校準(zhǔn)后誤差小于0.1℃。

        5 結(jié) 束 語

        在新設(shè)計(jì)的方法中,利用比熱容較大的液體搭建恒溫測(cè)試環(huán)境,可使測(cè)試環(huán)境波動(dòng)度穩(wěn)定在所需精度內(nèi)(如0.05℃),以此實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定溫度測(cè)試環(huán)境的營造。在此方法的支持下,提出一種CMOS 溫度傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù),利用電壓校準(zhǔn)、單片機(jī)和微調(diào)網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)逐次逼近的自動(dòng)校準(zhǔn)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)校準(zhǔn),具有校準(zhǔn)時(shí)間短、精度合理、溫度覆蓋范圍廣,校準(zhǔn)功耗極低等優(yōu)點(diǎn)。在室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過2 秒的自動(dòng)校準(zhǔn),CMOS 溫度傳感器校準(zhǔn)之后的誤差值顯著較小,達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

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