CH642451A5 - Dispositif detecteur de temperature. - Google Patents

Description

La présente invention concerne un dispositif détecteur de température.

Plus précisément, l'invention vise la fourniture d'un élément de haute précision et de faible coût pour la détection d'une température prédéterminée, cet élément devant pouvoir être fabriqué sur un substrat semi-conducteur.

Un dispositif de détection/commande de température, de type classique, est constitué, par exemple, comme le montre la fig. 1.

Le principe de foncitonnement d'un tel dispositif classique est que la modification de la valeur de résistance d'un ther-mistor ( 1 ) due à un changement de température est détectée par un circuit (2) de détection de valeur de résistance, un transistor (4) étant mis à l'état passant ou à l'état bloqué en dépendance d'un signal provenant de la connexion de sortie de commande (6) de ce circuit, par exemple pour commander la mise en fonctionnement d'un élément de chauffage (5). Les défauts d'un tel système sont les suivants:

1. La fiabilité est relativement faible du fait des importants risques de détérioration du thermistor.

2. Il est nécessaire d'ajuster une résistance d'ajustage (3) pour chaque élément, de façon telle que l'opération de détection soit faite à une température prédéterminée, ceci du fait de la très large dispersion de la caractéristique des thermis-tors.

3. Un tel dispositif comprend un grand nombre de composants et exige un espace relativement important, ce dont résulte que son coût est élevé et que sa fiabilité est faible.

C'est la raison pour laquelle on a cherché à réaliser un dispositif détecteur de température qui puisse être mis en fonction d'une façon stable et avec précision, et qui puisse par ailleurs être aisément fabriqué sur un seul et même substrat, à faible coût. Le but de la présente invention est donc de fournir un tel dispositif détecteur de température, qui soit de faible coût et de haute fiabilité pour détecter des valeurs et/ou des changements de température, et qui soit exempt des défauts précédemment mentionnés.

Conformément à l'invention, ce but est atteint par la présence des caractères énoncés dans la revendication indépendante annexée.

Avantageusement, ce dispositif utilise, dans l'organe de détection de température qu'il comprend, la dépendance de la température de la caractéristique, chute de tension/courant pour le passage du courant dans le sens direct d'une diode fabriquée sous la forme de semi-conducteur. L'utilisation d'un tel senseur de trempérature permettra de fabriquer le dispositif détecteur de température d'une façon aisée sous forme d'un dispositif monolithique.

Dans cette forme d'exécution particulièrement avantageuse, le circuit de mesure de tension, compris dans le dispositif et qui est apte à détecter un changement de tension produit aux bornes de la diode constituant un senseur de température, est fabriqué sur le même substrat pour réduire le coût et l'encombrement.

Une autre particularité que le dispositif peut également présenter consiste en la présence d'un circuit pour la compensation de la dispersion de la tension d'un circuit mesurant une tension constante, pour lequel une haute précision de fonctionnement est requise, ce circuit de compensation étant également établi en même temps, d'une façon monolithique, c'est-à-dire sur le même substrat.

Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, et comparativement à ce que connaissait l'art antérieur, une forme d'exécution de l'objet de l'invention; dans ce dessin:

la fig. 1 est un schéma d'un détecteur de température de type connu,

la fig. 2 est une vue en coupe montrant, à titre d'exemple, un senseur de température constitué par une diode à jonction au silicium,

la fig. 3 représente le circuit équivalent d'une diode à jonction au silicium,

la fig. 4 est un schéma-bloc d'un dispositif de détection de température conforme à l'invention et la fig. 5 est un schéma plus détaillé représentant un circuit à courant constant, un circuit à tension constante et un circuit de compensation simultanée des dispersions de ces deux premiers circuits, les trois circuits ainsi représentés en détail à la fig. 5 constituant des composants du dispositif selon l'invention et étant visibles sous forme de bloc à la fig. 4.

La fig. 1, concernant l'art antérieur, ayant déjà été brièvement discutée, on considérera maintenant, en liaison avec les fig. 2 et 3, un exemple, conforme à la conception particulière proposée, d'une diode utilisée comme senseur de température, une telle diode étant, comme on le voit à la fig. 3, l'équivalent d'un transistor à jonction NPN au silicium, branché d'une façon particulière. La fig. 2 montre comment un tel élément semi-conducteur se présente en coupe. On voit en 7 une région de base P+, en 8 une région émetteur N+ et en 9 une région collecteur P+, ces régions étant formées dans un îlot PIO, établi dans un substrat 6 de silicium de type N. Lorsque l'émetteur A (ou 7) est connecté au collecteur 9, tandis qu'une tension V est appliquée aux bornes constituées par l'émetteur A et la base B, le courant I circulant entre l'émetteur A (ou 7) et le collecteur 9 s'établit à une valeur qui, en correspondance avec la théorie du fonctionnement des transistors, s'exprime comme suit:

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

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I = S - q

D

W-Xj dans laquelle nr qv .

NTexp W

(1)

S est l'aire de la jonction émetteur-base,

q est la charge unitaire

D est la constante de diffusion des porteurs minoritaires,

W est la profondeur de la base (îlot-P)

Xj est la profondeur de l'émetteur (région N+)

Ni est la densité de proteur intrinsèque

Na est la densité d'impureté de la base (îlot-P)

k est la constante de Boltzmann

T est la température.

De plus ni et D se définissent comme suit:

n. = 1,5 • 1033T3exp ( ^lq )

_ kT kT T D= — p. = -— M—)-2,5 q q To

(2)

(3)

Et le coefficient de température dV/dT de la tension aux bornes de la diode est déterminée comme suit:

dV k 1

= -n — (/nS - /nNA - M - 4rlnT - 0,5 + /nC) dT q 2

(4)

L'équation (4) montre que le coefficient de température d'un senseur de température sous forme de diode, illustrée en tant que circuit équivalent à la fig. 4, est fonction de la concentration de base Na et de la densité de courant d'émetteur I/S. Ainsi, il est possible de discuter quantitativement la dépendance à l'égard de la concentration de base du coefficient de température d'une diode à jonction planaire au silicium, servant de senseur de température et pouvant être notamment du type illustré à la fig. 2. Si par exemple, on a une densité de base de 5x 10'° atomes/cm3, avec un courant constant I égal approximativement 0,1 jiA et une aire de jonction émetteur-base d'approximativement 100 um x 100 [xm, le coefficient de température sera d'approximativement 2,8 m V/°C. La dispersion concernant la température est faible lorsqu'un tel dispositif est utilisé comme senseur, et se trouvera à l'intérieur du domaine ±0,2°C. D'autre part, bien que le coefficient de température ne soit ici que de 1/5 de celui d'un thermistor, le dispositif à semi-conducteur présente l'avantage de pouvoir être fabriqué sur la même plaquette de circuit intégré, en compagnie d'un autre circuit et en utilisant une méthode similaire pour la fabrication.

La fig. 4 représente le schéma-bloc du dispositif détecteur de température selon l'invention. Un circuit à courant constant 17 est connecté en série avec une diode 11 de façon à faire circuler un courant constant dans celle-ci. Le domaine pouvant être envisagé pour le courant constant circulant à travers la diode est un domaine tel qu'une tension constante soit produite aux bornes de la diode, à une température déterminée, même si la tension de la source est modifiée, et le domaine ne doit pas nécessairement être toujours constant eu égard aux modifications de température. A la fig. 4, on voit en 14 une source de tension à courant continu, telle qu'une pile ou un dispositif analogue et on voit par ailleurs en 13 un circuit à tension constante. La tension Vd aux bornes de la diode ne doit pas être affectée par les changements de la tension de la source d'alimentation, aussi longtemps qu'un courant constant supérieur à un certain niveau circule à travers la diode. La tension de référence d'un convertisseur A-D (c'est-

à-dire un convertisseur «analogique/digital», comme le circuit de la fig. 4 en constitue un) ne doit pas se trouver modifiée lors des changements de la tension de la source d'alimentation. C'est la raison pour laquelle on utilise le circuit à ten-s sion constante 13. La sortie de celui-ci est connectée à l'entrée d'un circuit 15 à résistances en gradins, dans le convertisseur A-D. Dans ce circuit 15, on voit une série de résistances 19, qui seront typiquement des résistances de diffusion, et une série d'interrupteurs 18, qui seront typiquement des transis-îo tors de commutations MOS.

La détection de température est effectuée en faisant circuler à travers la diode senseur 11 un courant constant provenant du circuit à courant constant 17, en appliquant la chute de tension dans le sens passant provoquée sur la diode sen-15 seur par le passage de ce courant, sur une entrée d'un amplificateur différentiel 12, en appliquant la tension de sortie du circuit à tension constante 13 à une entrée du circuit à résistances en gradins 15, et en appliquant la tension de sortie de ce dernier circuit à l'autre entrée de l'amplificateur différen-20 tiel 12, de façon à lui faire effectuer une comparaison entre une tension de référence Vref à la tension Vd aux bornes de la diode 11. Une opération «EN/HORS» des transistors de commutation 18 dans le circuit 15 à résistances en gradins est effectuée continuellement jusqu'à ce que les tensions d'entrée 25 sur l'amplificateur arrivent en coïncidence, de façon à inverser le niveau de sortie de cet amplificateur différentiel. Ceci signifie que l'on forme ainsi un convertisseur A-D du type à comparaisons séquentielles. Il en résulte donc que la température détectée correspond au nombre d'étages de com-30 mutateurs 18 actionnés dans le circuit 15 à résistances à gradins. Dans l'exemple ci-décrit, puisque le coefficient de température de la diode constituant le senseur de température est d'approximativement 2,8 mV/°C, le circuit à tension constante doit avoir une précision de 2,8 mV si l'on veut atteindre 35 une précision de 1°C. La fig. 5 représente l'exemple d'un circuit à tension constante de haute précision, qui satisfait l'exigence de précision susmentionnée, et qui est agencé de façon à y utiliser des éléments CMOS pour constituer le circuit à tension constante 13 de la fig. 4. La tension de sortie du cir-40 cuit à tension constante 13 peut être exprimée par l'équation suivante:

Vref =

Vtph - Vtpl 1 -a dans laquelle a =

Ri

Ri + R2

(5)

(6)

50

Sur la fig. 5, les cadres représentant les circuits portent les mêmes signes de référence que sur la fig. 4.

Le cas d'un circuit à courant constant CMOS utilisé pour délivrer un courant constant à une diode senseur de tempéra-55 ture est illustré de façon détaillée à la fig. 5, par le cadre 17 qui représente ce circuit à courant constant. En l'occurrence, ce circuit peut être ajusté à différentes valeurs de courant constant. La valeur du courant constant IC peut être établie par l'équation suivante:

60

le = A(K) [Vtph-Vtpl]2

(7)

dans laquelle: A(K) est une constante connue concernant la mobilité. On voit donc que la valeur de la tension constante «s peut être déterminée en faisant usage de l'équation (5) tandis que la Valeur du courant constant peut être déterminée en faisant usage de l'équation (7). Dans l'exemple du circuit selon la présente invention, la tension constante Vref et le courant

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4

constant le dépendent de (Vtph-Vtpl) qui est la différence des niveaux de seuil entre deux transistors à canal P. Puisque la tension constante Vref, fournie par le circuit 13, et le courant constant le sont déterminés en dépendance de la différence entre deux genres de niveaux de tension dans des transistors PMOS, fabriqués parla technique du dopage de canal double, la précision d'une certaine quantité de ions injectés (approximativement 5%) affecte nécessairement la dispersion de fabrication du dispositif.

En vue d'augmenter la précision par une compensation de la dispersion de la valeur de (Vtph-Vtpl) dans la source de tension constante et dans la source de courant constant, on a prévu un circuit de compensation utilisant une mémoire non volatile, sous forme du circuit de compensation 16 représenté en détail à la fig. 5 (et représenté également sous forme de bloc à la fig. 4). Le schéma des blocs représentés à la fig. 5 se comprend aisément de lui-même; dans cet exemple on a choisi d'avoir quatre mémoires non volatiles, à la fois pour la dispersion de la tension constante et pour la dispersion du courant constant, permettant de diminuer ces dispersions dans un rapport pouvant aller jusqu'à 1/24. Un agencement fusible est le plus souvent utilisé pour constituer un élément de mémoire non volatile, mais on peut toutefois prévoir également d'utiliser des éléments du type FAMOS, MNOS ou d'un genre équivalent, de tels éléments de mémoire non volatile étant des éléments bien connus. La caractéristique de l'agencement représenté à la fig. 5 et concrétisé par le circuit de mémorisation de compensation de dispersion 16 consiste en ce que les deux dispersions, celle de la source de tension constante et celle de la source de courant constant, peiivent être ajustées au moment où le circuit intégré passe le processus de contrôle ou le processus d'assemblage. De plus, en même temps, la dispersion de tension «enclenchement/

déclenchement» (off-set voltage) de l'amplificateur différentiel dans le convertisseur A/D, de même que la diffusion des résistances dans le circuit à résistances en gradins, paramètres qui affectent la précision de détection de température, peu-5 vent être compensées par affectation en mémoire.

Comme on vient de la décrire en détail, la conception particulière proposée, puisqu'elle établit l'agencement sur une même plaquette de semi-conducteur des différents compo-sants du dispositif détecteur de température, permet d'obtenir celui-ci avec la précision voulue, pour un objet d'application déterminé. Le dispositif selon la conception proposée présente des avantages particulièrement marqués de stabilité, de haute fiabilité et de faible coût à la fabrication.

rs Le dispositif proposé peut être utilisé, naturellement, pour la confection de thermomètres de type usuel, et même plus, pour la confection de thermomètres médicaux ou cliniques qui requièrent une haute précision. Ce dispositif peut également être utilisé avantageusement pour la détection de tem-20 pérature et la commande y relative dans des appareillages de climatisation ou du même genre, appareillages dans lesquels on utilisait fréquemment un thermistor comme senseur de température. Le dispositif détecteur de température selon l'invention peut encore être avantageusement utilisé pour 25 maintenir la température constante des bains de divers types, notamment ceux dans lesquels on fait fonctionner des oscillateurs à cristal; le dispositif peut encore être utilisé avantageusement pour des couvertures chauffantes ou coussins chauffants, etc. La description qui vient d'être fournie montre que la conception particulière proposée est apte à trouver de larges applications dans les différents domaines de l'industrie, des appareils de consommation électroniques, etc.; l'efficacité du dispositif proposé est donc remarquable.

30

B

2 feuilles dessins

Claims (4)

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1. Dispositif détecteur de température, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit à tension constante (13) branché en parallèle, sur une source d'alimentation (14), avec le groupement en série d'un organe détecteur de température (11) et d'un circuit à courant constant (17), un circuit de résistances en gradins ( 15) étant branché entre la sortie du circuit à tension constante (13) et un pôle de la source d'alimentation

(14), une sortie de ce circuit de résistances en gradins étant connectée à une première entrée d'un amplificateur différentiel (12) dont la seconde entrée est reliée au point de connexion en série dudit organe détecteur de température

(11) et dudit circuit à courant constant (17), de façon qu'un signal de température soit produit sous la forme de la tension de sortie de l'amplificateur différentiel (12).

2. Dispositif selon la revendiction 1, caractérisé en ce que ledit organe de détection de température (11) comprend une diode à semi-conducteur.

2

REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit à tension constante (13), ledit organe de détection de température (11), ledit circuit à courant constant (17), ledit circuit à résistances en gradins

(15), et ledit amplificateur différentiel (12), sont formés sur le même substrat.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de compensation simultanée de la dispersion dudit circuit à courant constant (17) et de la dispersion dudit circuit à tension constante (13), ce circuit de compensation étant connecté entre ledit circuit à tension constante ( 13) et ledit circuit à courant constant (17), c'est-à-dire présentant au moins une liaison avec chacun de ceux-ci.