CN110031123A - 热传感器集成电路及用于热传感器的电阻器 - Google Patents

热传感器集成电路及用于热传感器的电阻器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热传感器集成电路，包括由至少一个金属线实现的电阻器以及转换电路，该电阻器的电阻随该电阻器的温度而变化，该电阻器具有第一端子和第二端子，以及，该第一端子和该第二端子中的其中一个端子用于提供对应于该电阻的电压信号；该转换电路耦接于该电阻器，用于将该电压信号转换为用于确定该温度的输出信号。相应地，本发明还提供了一种用于热传感器的电阻器。采用本发明，能够大大减小芯片面积。

Description

热传感器集成电路及用于热传感器的电阻器
技术领域
本发明通常涉及一种温度感测技术，以及更特别地，涉及一种热传感器集成电路及用于热传感器的电阻器。
背景技术
传统的热传感器具有用于温度感测的双极结型晶体管(bipolar junctiontransistor，BJT)。由于供给电压(supply voltage)随先进的半导体工艺逐渐降低，因此，电荷泵电路(charge pump circuit)被内置在热传感器中，以使双极结型晶体管(BJT)运行良好。然而，电荷泵电路会大大增大芯片面积。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种热传感器集成电路及用于热传感器的电阻器，能够减小热传感器集成电路的芯片面积。
根据本发明的一些实施例，提供了一种热传感器集成电路，包括：由至少一个金属线实现的电阻器以及转换电路。该电阻器的电阻随该电阻器的温度而变化，该电阻器具有第一端子和第二端子，以及，该第一端子和该第二端子中的其中一个端子用于提供对应于该电阻的电压信号。转换电路耦接于该电阻器，用于将该电压信号转换为用于确定该温度的输出信号。
根据本发明的另一些实施例，提供了一种用于热传感器的电阻器，其中，该电阻器由至少一个金属线实现，该电阻器的电阻随该电阻器的温度而变化，且该电阻器被设置为提供与该电阻相对应的电压信号，该电压信号用于确定该温度。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。详细的描述将参考附图在下面的实施例中给出。
附图说明
通过阅读后续的详细描述以及参考附图所给的示例，可以更全面地理解本发明。
图1是根据本发明一实施例示出的热传感器的示意图。
图2是根据本发明第一实施例示出的电阻器的示意图。
图3是根据本发明第二实施例示出的电阻器的示意图。
图4是根据本发明第三实施例示出的电阻器的示意图。
图5是根据本发明另一实施例示出的热传感器的示意图。
图6是根据本发明另一实施例示出的热传感器的示意图。
图7是根据本发明另一实施例示出的热传感器的示意图。
在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。
文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。
本发明提供一种热传感器，包括由至少一个金属线实现的电阻器和转换电路，该电阻器用于提供对应于该电阻器的电阻的电压信号，以及，该转换电路用于将该电压信号转换为用于确定该温度的输出信号。在一些实施例中，转换电路可以是电压至频率转换器、模拟至数字转换器等，但本发明实施例并不限于此。图1是根据本发明一实施例示出的热传感器100的示意图。如图1所示，热传感器100为热传感器集成电路(IC)，以及，热传感器100包括电阻器(resistor)110和电压至频率转换器(voltage-to-frequency converter)120。在该实施例中，电阻器110是利用至少一个金属线(at least one metal line metalline)实现的，以及，该金属线用作热敏电阻(thermistor)，其电阻(resistance)随温度变化。在热传感器100的操作中，电阻器110具有第一端子N1和第二端子N2，第一端子N1和第二端子N2中的其中一个端子被布置为提供电压信号V1，该电压信号对应于该电阻(图1中示出了第一端子N1提供电压信号V1，电压信号V1与电阻器110的电阻值相对应)，以及，电压至频率转换器120将电压信号V1转换为用于确定温度的频率信号VF。
内置在IC中的传统电阻器由氮化钛(Titanium Nitride，TiN)或其它材料制成，其电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，即，每度温度变化对应的电阻值变化系数)小，因此，由于传统电阻器的较小温度系数和差线性度，传统的热传感器集成电路(IC)通常使用BJT而不是使用电阻器检测温度。在本发明的优选实施例中，电阻器110是由具有较高的(或者，大)电阻温度系数的金属线(例如，主要材料为铜或者铝，以下实施例以铜为例进行示例说明)制成的，以解决该问题，且热传感器100无需BJT也无需使用占用大量芯片面积的相关电荷泵电路，能够减少面积。
由于铜的电阻率(resistivity)小，因此，传统技术不会使用铜来实现热敏电阻。在本发明实施例中，为了使电阻器110在热传感器100中正常运作，电阻器110由长度较长的金属线实现，以增大电阻值。图2是根据本发明第一实施例示出的电阻器110的示意图。如图2所示，电阻器110包括多个金属线(例如，图2中示出三个金属线，应当说明的是，本发明并不受金属线的数量的限制)，在一些实施例中，该多个金属线是利用铜工艺制造的且在不同的金属层上(即图2中所示的第一金属层，第二金属层和第三金属层)被金属化，以及，在不同的金属层上制造的该多个金属线连接在一起，以形成一条(single)金属线。应注意，图2中所示的金属层的数量仅用于说明目的，而不是对本发明的限制。
图3是根据本发明第二实施例示出的电阻器110的示意图。如图3所示，电阻器110包括由铜工艺制造并在不同的金属层上(即图3中所示的第一金属层，第二金属层和第三金属层)被金属化的三个金属线(如图3所示，每个金属线呈U型)，U型金属线能增加长度/电阻，以及，在不同金属层上制造的多个金属线连接在一起，以形成一条金属线。应注意，图3中所示的金属层的数量仅用于说明目的，并不是对本发明的限制。
图4是根据本发明第三实施例示出的电阻器110的示意图。如图4所示，电阻器110包括多个金属线组(group)，每个金属线组具有多个金属线，该多个金属线由铜工艺制造并在N个不同的金属层上被金属化，位于一个金属线组内的多个金属线可具有不同的形状(例如，图4中所示的U型金属线及线型金属线，应当说明的是，本发明对此不做限制，例如可以是其它形状，如N型…)，不同的金属线组连接在一起，以及，金属线组中在不同金属层上制造的多个金属线连接在一起，以形成一条金属线。应注意，图4中所示的金属层及金属线组的数量仅用于说明目的，并不是对本发明的限制。
图5是根据本发明另一实施例示出的热传感器500的示意图。如图5所示，热传感器500为热传感器集成电路(IC)，以及，热传感器500包括电阻器510，电压至频率转换器520，开关电容电阻器(switched-capacitor resistor)530和分频器(frequency divider)540，其中，电压至频率转换器520包括积分器(integrator)和压控振荡器(voltage-controlledoscillator，VCO)524，如图5所示，该积分器包括运算放大器(operational amplifier)522和电容器(capacitor)Cc，但本发明并不限于此。在该实施例中，电阻器510可以是图1至图4中所示的电阻器110，即电阻器510是由至少一个金属线(例如，利用铜制造的金属线)实现的。
在热传感器500的操作中，电阻器510和开关电容电阻器530构成分压器(voltagedivider)，以及，在电阻器510和开关电容电阻器530之间的端子上(例如，电阻器510的第一端子N1)产生电压信号V1。运算放大器522接收电压信号V1和参考电压Vref，以产生控制信号去控制VCO 524产生频率信号VF。分频器540对频率信号VF进行分频并产生反馈信号去接通/断开开关电容电阻器530，以调节开关电容电阻器530的电阻。在一实施例中，参考电压Vref是供给电压VDD的一半，以及，在稳定状态下，电压信号V1应当等于参考电压Vref(即，电阻器510和开关电容电阻器530的电阻相同)。也就是说，当电阻器510的电阻随温度变化而变化时，电压信号V1会变化，从而触发电压至频率转换器520调整频率信号VF，以使得开关电容电阻器530的电阻等于或基本等于电阻器510的电阻。因此，通过参考频率信号VF，能够确定出温度。
图6是根据本发明另一实施例示出的热传感器600的示意图。如图6所示，热传感器600是热传感器集成电路(IC)，以及，热传感器600包括电阻器610，电压至频率转换器620，开关电容电阻器630，分频器640，反相器(inverter)650和开关SW2，其中，电压至频率转换器620包括积分器(如图6所示，该积分器由运算放大器622和电容器Cc构成)和压控振荡器(VCO)624；以及，开关电容电阻器630包括并联连接的开关SW1和电容器Cx。在该实施例中，电阻器610可以是图1至图4中所示的电阻器110，例如，电阻器610由铜制造的至少一个金属线实现。
在热传感器600的操作中，电阻器610和开关电容电阻器630构成分压器，且在电阻器610的上端(例如，第一端子N1)产生电压信号V1。运算放大器622接收电压信号V1和参考电压Vref，以产生控制信号去控制VCO 624产生频率信号VF。分频器640对频率信号VF进行分频，并产生反馈信号接通/断开开关SW1，以调节开关电容电阻器630的电阻，以及，开关SW2由反馈信号通过反相器650控制(也就是说，开关SW2被反馈信号的反相信号控制)，在一些实施例中，也可以是反馈信号通过反相器后控制开关SW1，而开关SW2被反馈信号直接控制，也就是说，开关SW1和SW2的控制信号互为反相。在一实施例中，参考电压Vref是供给电压VDD的一半，且在稳定状态下，电压信号V1应等于或基本等于参考电压Vref(即电阻器610的电阻和开关电容电阻器630的电阻相同或基本相同)。也就是说，当电阻器610的电阻随温度变化而变化时，电压信号V1会变化，从而触发电压至频率转换器620调节频率信号VF，使得开关电容电阻器630的电阻等于电阻器610的电阻。在该实施例中，电阻器610的电阻和频率信号VF具有以下关系：
其中，“RM”是电阻器610的电阻，“RSW”是开关电容电阻器630的电阻，“F1”是频率信号VF的频率，Cx表示电容器Cx的电容值。因此，通过参考频率信号VF，电阻器610的电阻能够被获知，从而可以相应地确定出温度。
图7是根据本发明另一实施例示出的热传感器700的示意图。如图7所示，热传感器700是热传感器集成电路(IC)，以及，热传感器700包括电阻器710和模拟至数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)720。在该实施例中，电阻器710可以是图1至图4中所示的电阻器110，例如，电阻器610由铜制造的至少一个金属线实现。在热传感器700的操作中，电阻器710具有第一端子N1和第二端子N2，第一端子N1和第二端子N2中的其中一个被布置为提供与电阻器710的电阻相对应的电压信号V1(图7中示出了第一端子N1提供电压信号V1)，以及，模拟至数字转换器720将电压信号V1转换为数字码Dout。由于电压信号V1能够表示电阻器710的电阻，因此，通过参考对应于电压信号V1的数字码Dout，能够获知电阻器710的电阻，并且可以相应地确定出温度。
简而言之，在本发明的热传感器中，利用金属线(例如，金属线是利用铜制成的)用作热敏电阻，以提供用于确定温度的电压信号。因此，热传感器不需要BJT及相关的电荷泵电路，能够大大减小芯片面积。另外，由于铜具有合适的温度系数，因此，热传感器能够很好地运作并具有更好的线性度。
虽然本发明已经通过示例的方式以及依据优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不限于公开的实施例。相反，它旨在覆盖各种变型和类似的结构(如对于本领域技术人员将是显而易见的)，例如，不同实施例中的不同特征的组合或替换。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以涵盖所有的这些变型和类似的结构。

Claims (10)

1.一种热传感器集成电路，其特征在于，包括：
由至少一个金属线实现的电阻器，该电阻器的电阻随该电阻器的温度而变化，该电阻器具有第一端子和第二端子，以及，该第一端子和该第二端子中的其中一个端子用于提供对应于该电阻的电压信号；以及，
转换电路，耦接于该电阻器，用于将该电压信号转换为用于确定该温度的输出信号。
2.根据权利要求1所述的热传感器集成电路，其特征在于，该至少一个金属线是利用铜制成的。
3.根据权利要求1所述的热传感器集成电路，其特征在于，该至少一个金属线包括多个金属线，以及，该多个金属线是利用铜工艺制造的且在不同的金属层上被金属化。
4.根据权利要求3所述的热传感器集成电路，其特征在于，在该不同的金属层上制造的该多个金属线连接在一起，以形成一条金属线，该一条金属线用作该电阻器。
5.根据权利要求1所述的热传感器集成电路，其特征在于，该热传感器不包括用于温度感测的任何双极结型晶体管。
6.根据权利要求1所述的热传感器集成电路，其特征在于，该转换电路是电压至频率转换器，以及，该电压至频率转换器将该电压信号转换为用于确定该温度的频率信号。
7.根据权利要求6所述的热传感器集成电路，其特征在于，该热传感器集成电路包括开关电容电阻器、该电压至频率转换器以及分频器；
该开关电容电阻器耦接在供给电压和该电阻器的该第一端子之间；
该电压至频率转换器耦接于该电阻器的该第一端子，用于接收该电压信号以产生该频率信号；以及，
该分频器耦接于该电压至频率转换器和该开关电容电阻器，用于对该频率信号进行分频并产生反馈信号控制该开关至电容电阻器。
8.根据权利要求7所述的热传感器集成电路，其特征在于，该热传感器集成电路还包括：
开关，耦接在该开关电容电阻器和该电阻器的该第一端子之间，该开关受该反馈信号的控制，其中，控制该开关至电容电阻器的信号和控制该开关的信号互为反相。
9.根据权利要求1所述的热传感器集成电路，其特征在于，该转换电路是模拟至数字转换器，以及，该模拟至数字转换器将该电压信号转换为用于确定该温度的数字码。
10.一种用于热传感器的电阻器，其特征在于，该电阻器由至少一个金属线实现，该电阻器的电阻随该电阻器的温度而变化，且该电阻器被设置为提供与该电阻相对应的电压信号，该电压信号用于确定该温度。
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