0.002-mm2、2.9-μW基于脉冲频率调制（PFM）的?60 °C至120 °C宽范围温度传感器

《Sensors》：A 0.002-mm2, 2.9-μW Pulse-Frequency-Modulation-Based Temperature Sensor for Wide Sensing Range from ?60 °C to 120 °C

　　

本研究提出一种采用180 nm工艺制造的紧凑型低功耗全CMOS脉冲频率调制（PFM）温度传感器，支持?60 °C至120 °C宽感测范围。亚阈值偏置产生与温度成比例电流，PFM将电流变化转换为数字脉冲信号以规避电源电压摆幅限制。研究提出两项核心优化：改进型共源共栅电流镜抑制沟道长度调制效应并稳定热电流；温度不敏感单稳态电路消除由可变复位脉冲宽度引发的极端温度振荡失效。四点片外校准模型进一步补偿静态及温度相关环路延迟误差。原型核心面积仅2200 μm2，功耗2.9 μW，5 ms转换时间下实现47 mK RMS温度分辨率、32 pJ·K2分辨率优值（FoM）与0.06 pJ·K?2·mm?2面积FoM，校准后测量不准确度限制在+1.8/?1.9 °C（3σ）。该无RC准数字PFM架构可良好扩展至先进工艺节点，适用于航空航天、低温红外探测器及低功耗工业热感测应用。

研究背景方面，精密温度测量与调控对设备仪器最优运行及实验顺利进行至关重要。温度传感器广泛部署于生物医学器件、家用电器乃至航空航天装备中。多数传感器在标准条件下可靠，但在航空航天、生物化学实验室等特殊场景面临测量范围（工业型?50 °C至120 °C）、微型化与能效的严格约束；尤其在?60 °C至?40 °C低温红外成像或量子计算低温探测器校准与热稳定中，需鲁棒适应性以防热漂移劣化与极低温损伤。基于双极结型晶体管（BJT）的传感器精度高但功耗大；电阻式温度敏感电路依赖电阻温度参数且线性差；CMOS温度敏感电路在面积与能效上占优但因亚阈值区电流随温度非线性变化而受限。传统电压域模数转换器（ADC）受电源电压（VDD）与阈值电压（VTH）摆幅限制，时域数字化转换器（TDC）在高温下非线性严重。因此研究人员开展本研究，旨在以全CMOS无大RC器件的准数字PFM架构，实现宽温域、微瓦级、极小面积温度传感器。

主要关键技术方法方面，研究人员采用180 nm CMOS工艺，构建由温度敏感电路、比较器、改进单稳态电路与计数器组成的PFM环路；温度敏感部分使用亚阈值偏置MOS对与电阻生成比例电流，以改进自偏置共源共栅电流镜抑制沟道长度调制；单稳态电路以外部稳定电流偏置控制MOS电容充放电产生温度不敏感复位脉冲；数字输出经四点片外校准模型补偿静态延迟与正比于温度的热延迟误差；测试阶段选取八颗样品，在温度腔中以铂热电偶（误差0.3 °C）贴附芯片校准，转换时间取5 ms与10 ms进行对比。

研究结果部分，引言指出宽温域微功耗需求及BJT/电阻/CMOS三类敏感电路与目标ADC选型依据，确立PFM时域方案优势。材料与方法小节中，2.1节阐明PFM原理：循环积分复位与脉冲计数将电压信号拓为n倍等效处理摆幅，避开VDD与VTH对量程压缩；2.2节给出架构框图与式(1)的Dout-Iout关系，强调V_int须近阈值以保电流镜线性，反馈环中非理想延迟与电阻温漂致非线性；2.3节推导亚阈值电流式(2)(3)、电阻温度系数式(4)、阈值电压温移式(5)及最终敏感电流式(6)，表明T与I无直接线性，需多点校准；2.4节分析常规延迟线或RC单稳态在?60 °C复位脉宽过窄残压累积、120 °C脉宽过宽时序失配，改进单稳态以恒流充MOS电容解耦温度，保障全温域完全复位。结果章节中，3.1节将系统延迟拆为与温度无关t_os与正比于T的t_temp（γ系数），代入式(10)(11)得新补偿式(12)，四点(T_x,Dout_x)解a,b,γ,KTC；3.2节实测八样品，5 ms转换时量程?60~120 °C、分辨率47 mK，原模型误差+2.4/?2.3 °C，改进模型降至+1.8/?1.9 °C（3σ），面积2200 μm²、总功耗2.86 μW（1.8 V模拟/1.2 V数字），10 ms时量程缩至~110 °C、分辨率31 mK，分辨率FoM峰值随积分时间变化。讨论部分指出该PFM传感器以改进电流镜与单稳态压制非线性及热延迟，准数字时域结构易移植先进节点，FoM具竞争力；极端温域热鲁棒性由两模块保障，八样品一致性验证可靠，5 ms低延迟下不失效；无RC避免无源温漂，适航天与低温探测，并可单片集成于柔性WO₃/MoS₂异质结NO₂气敏读出电路作实时热补偿。结论部分翻译为：本文以180 nm工艺实现宽范围PFM基CMOS温度传感器；改进共源共栅电流镜与重设计单稳态电路抑制沟道长度调制与温度相关复位脉宽漂移，提升全温域线性与稳定；传感器主动面积2200 μm²、功耗2.9 μW；5 ms转换时间于?60~120 °C达47 mK分辨率、先进分辨率与面积FoM，校准3σ误差限±1.9 °C；转换时间可调以权衡量程与分辨率，准数字结构可直迁先进工艺节点。论文发表于《Sensors》。