TW201725369A - 包括脈波寬度調變輸出的熱感測器 - Google Patents

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Abstract

一些實施例包括設備及方法，其具有節點，用以接收接地電位；第一二極體，其包括耦合至節點之陽極；第二二極體，其包括耦合至節點之陽極；第一電路，用以施加電壓到第一二極體及第二二極體的每一個之陰極，以使第一二極體及第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨第一二極體的第一電壓及橫跨第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。此種實施例的至少其中之一包括溫度計算器，用以至少部分依據信號的工作週期來計算溫度值。

Description

包括脈波寬度調變輸出的熱感測器
此處所說明之實施例係有關熱管理電子系統。一些實施例係相關於熱感測器。
諸如電腦、網路裝置、平板電腦、及蜂巢式電話等許多電子裝置或系統具有熱感測器，以監視裝置或系統的溫度。為了精確測量溫度，習知此種裝置或系統中之熱感測器通常依賴寄生PNP組件(如、寄生PNP雙極電晶體)。然而，在一些製造技術中，此種PNP組件的品質會由於PNP組件中的接面(如、射極-基座接面)中的微缺陷等因素而大幅降低。另外，一些習知熱感測器需要針對感測調整進行多點修整以便符合特定測量準確性。而且，在一些製造處理中，用以形成裝置中此種PNP組件的選擇會被限制或者不存在。如此，因為至少此處所提及的理由，設計一些習知裝置中的熱感測器會有困難。
D‧‧‧二極體
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧二極體
C11‧‧‧電容器
C12‧‧‧電容器
C21‧‧‧電容器
C22‧‧‧電容器
S1‧‧‧開關
S2‧‧‧開關
S3‧‧‧開關
S4‧‧‧開關
P1‧‧‧電晶體
P2‧‧‧電晶體
100‧‧‧設備
101‧‧‧熱感測元件
102‧‧‧熱感測元件
103‧‧‧熱感測器
104‧‧‧積體電路封包
105‧‧‧積體電路晶粒
210‧‧‧基板
215‧‧‧區域
216‧‧‧接面
220‧‧‧部位
230‧‧‧部位
240‧‧‧電晶體結構
303‧‧‧熱感測器
303’‧‧‧熱感測器
305‧‧‧底板
306‧‧‧頂板
307‧‧‧底板
308‧‧‧頂板
310‧‧‧比較器
311‧‧‧脈波
312‧‧‧脈波
313‧‧‧脈波
320‧‧‧信號產生器
399‧‧‧節點
340‧‧‧溫度計算器
345‧‧‧電流源
351‧‧‧部位
352‧‧‧部位
531‧‧‧脈波產生器
532‧‧‧脈波產生器
561‧‧‧電壓產生器
562‧‧‧電壓產生器
圖1為根據此處所說明之一些實施例的包括熱感測器之設備圖。
圖2為根據此處所說明之一些實施例的包括設備的積體電路(IC)晶粒之部分的橫剖面之圖1的設備之部分的橫剖面圖。
圖3為根據此處所說明之一些實施例的熱感測器之概要圖。
圖4A為根據此處所說明之一些實施例的電容器充電及放電階段期間之圖3的熱感測器中之電容器的頂板及底板上之電壓的波形圖，以及控制圖3之熱感測器中的開關之信號的波形圖。
圖4B為根據此處所說明之一些實施例的額外電容器充電及放電階段期間之圖3的熱感測器中之額外電容器的頂板及底板上之電壓的波形圖，以及控制圖3之另一熱感測器中的開關之信號的波形圖。
圖5為根據此處所說明之一些實施例的圖3之熱感測器的變化之另一熱感測器的概要圖。
【發明內容及實施方式】
圖1為根據此處所說明之一些實施例的包括熱感測器103之設備100圖。設備100可包括或被包括在電子裝置或系統中，諸如電腦(如、桌上型、膝上型、或筆電)、平板電腦、蜂巢式電話、可穿戴式電子產品(如、智慧型錶)、或其他電子裝置或系統等。
如圖1所示，設備100可包括IC封裝104，其可包括IC晶粒(如、晶片)105。IC晶粒105可包括半導體IC晶粒(如、矽IC晶粒)。熱感測器103可被包括在IC晶粒105(如、形成在其中或其上)。設備100可包括或被包括在單晶片系統(SoC)中，使得熱感測器103可被包括(如、整合)在SoC中。為了幫助聚焦於此處所說明之實施例，圖1所示之元件並不按比例繪製。
如圖1所示，熱感測器103可包括熱感測元件101及102，其能夠操作以感測包括在設備100中之裝置或系統的溫度(如、作業溫度)。熱感測元件101及102的每一個可包括半導體元件(如、二極體)。熱感測器103亦可包括諸如電容器、電晶體、及其他組件等額外組件(未圖示於圖1)。熱感測器103的此種額外組件能夠與熱感測元件101及102一起組合操作，以計算由熱感測元件101及102所感測的溫度值。依據計算的溫度值，設備100可執行適當動作以便維持其操作。
圖1為設備100只包括彼此相鄰近的兩熱感測元件101及102以使設備100能夠在兩熱感測器101及102所在之位置執行熱感測(如、單點感測)的例子圖。然而，設備100可包括兩個以上的熱感測元件，其能夠位在設備100中之不同位置上以使其能夠在多處位置上執行熱感測(如、多點感測)。
圖2為根據此處所說明之一些實施例的包括圖1之IC晶粒105的部分之橫剖面的設備100之部分之橫剖面 圖。如圖2所示，IC晶粒105可包括基板210、直接接觸基板210之部位220、及部位230。基板210可包括p型材料(如、p型矽)。部位220可以是形成在基板210中或基板210上之阱的部分(如、n阱)，使得部位220及基板210具有不同型的材料。例如，部位220可包括n型材料(如、n型矽)。部位230及部位220亦可具有形成電晶體結構240的部分之不同型的材料。例如，部位220可包括p型材料(如、p型矽材料)。如此，基板210、部位220、及部位230可分別具有p型、n型、及p型材料(如、分別為p型矽、n型矽、及p型矽)。
電晶體結構240可包括多閘極電晶體(如、多閘極場效電晶體(FET))。此種多閘極電晶體的例子包括三閘極電晶體、鰭式場效電晶體(finFET)、及其他類型的多閘極電晶體。
如圖2所示，IC晶粒105可包括由基板210的部分及部位220的部分(如、n阱的部分)所形成之區域215。區域215具有基板210的部分直接接觸部位220的部分之接面216。如此，接面216可包括由基板210的p型材料及部位220的n型材料所形成之p-n接面。
IC晶粒105可包括接面216可以是二極體D的p-n接面之二極體D。可使用二極體D作為圖1的熱感測器103之熱感測元件101及102的任一個。為了簡化，圖2只圖示對應於一區域215之一二極體D。然而，可由類似於區域215的多個區域形成多個二極體(如、類似於二極 體D)。例如，基板210可包括p型材料，及基板210的不同區域可被摻雜有n型材料的摻雜劑以在基板210中形成多個n型摻雜區。多個n型摻雜區與基板210之間的接面(如、類似於接面216)可形成可以是多個二極體的部分之多個p-n接面。在此種n型摻雜區中，一n型摻雜區中之尺寸可不同於另一n型摻雜區中之尺寸。此使由基板210中的n型摻雜區所形成之二極體能夠具有不同的電流密度(如、不同比率尺寸的二極體)。
如此，在圖2所示之設備100中，藉由在基板210中形成不同的n摻雜區，可在基板210中形成類似於具有不同電流密度(如、不同尺寸)的二極體D之多個(如、兩)二極體。可使用多個二極體作為圖1之熱感測器103的熱感測元件101及102。
如上面參考圖1及圖2所說明一般，可由諸如接面216(圖2)等接面(如、n阱對基板接面)可以是二極體的p-n接面之晶粒105中的二極體(圖2)形成熱感測元件101及102的每一個(圖1)。此種p-n接面較不會受到由於處理定比、表面缺陷、或二者所引起的退化之影響，及可維持相對較高的品質。如此，n阱對基板接面(如、圖2中的216)可使其成為二極體之p-n接面的部分，二極體可包括在熱感測元件101及102的每一個中(圖1)。
圖3為根據此處所說明之一些實施例的熱感測器303之概要圖。如圖3所示，熱感測器303可包括二極體D1 及D2、電容器C11、C12、C21、及C22、開關S1、S2、S3及S4、電晶體P1及P2、比較器310、信號產生器320、以及溫度計算器340。熱感測器303可包括圖1之熱感測器103的結構。如此，可由諸如IC晶粒105等IC晶粒的部分(圖2)形成至少熱感測器303的一部分。例如，二極體D1及D2的每一個可具有圖2之二極體D的結構(n阱對基板接面結構)。
如下面更詳細說明一般，熱感測器303可操作以產生負電壓，及在不同時序施加負電壓到二極體D1及D2以便輪流使二極體D1及D2能夠在順向偏壓條件中。電壓VD1為當其在順向偏壓條件中時橫跨二極體D1的電壓(如、壓降)。電壓VD2為當其在順向偏壓條件中時橫跨二極體D2的電壓(如、壓降)。電壓VD1及VD2的每一個都是溫度相依的。如此，電壓VD1及VD2的每一個之值可隨溫度而改變。電容器C11及C22與比較器310可操作以執行電壓對時間轉換，以將電壓VD1及VD2的每一個之值轉換成時間。信號產生器320可操作以產生信號(如、溫度感測輸出信號)SENOUT。信號SENOUT的工作週期係依據電壓VD1及VD2的值之比率。電壓VD1及VD2的值係分別依據二極體D1及D2的尺寸。溫度計算器340可至少部分依據信號SENOUT的工作週期來計算溫度的值，及產生指示所計算的溫度值之資訊TEMPOUT。
熱感測器303的二極體D1及D2可被組構成(例如，結構成)具有不同的電流密度。例如，二極體D1及D2可 具有不同的尺寸(如、不同的二極體尺寸比)。在一些組態中，二極體D1及D2可具有尺寸比N，其中N不同於一(如、N=2,8,20，或者其他比值)。二極體D1及D2的不同電流密度使熱感測器303能夠簡化對溫度值的計算(如下面將詳細說明一般)。二極體D1及D2的每一個可包括具有由p型基板的部分所形成之陽極與由n摻雜區的部分所形成之陰極的p-n接面。例如，圖3之二極體D1及D2的每一個之陽極可包括(如、可由其形成)諸如基板210(圖2)等基板的部分(如、p型基板)。二極體D1及D2的每一個之陰極可包括(如、可由其形成)諸如部位220(圖2)等基板中之n型摻雜部位的部分(n阱的部分)。
圖3之熱感測器303的電容器C11及C12可具有同一電容(如、同一尺寸)。此使熱感測器303能夠簡化對溫度值的計算(如下面將詳細說明一般)。電晶體P1及P2可包括p通道場效電晶體(如、p通道(PMOS)電晶體)。電容器C21及C22可具有同一電容或不同電容，只要它們可提供適當的電壓，以在電容器C11被充電的同時控制(如、開通)電晶體P1的閘極，而在電容器C12被充電的同時控制(如、開通)電晶體P2的閘極。
電容器C11及C12、開關S1、S2、S3、及S4、電晶體P1及P2、及電容器C21及C22可操作以形成電路的部分(如、充電泵)，來輪流充電電容器C11及C12與輪流放電電容器C11及C12，以便產生負電壓。在二極體D1 及D2的陽極(如、p型基板的部分)係耦合至接地的同時，將負電壓輪流施加到二極體D1及D2的陰極(如、n摻雜區的部分)。輪流施加負電壓使二極體D1及D2能夠輪流在順向偏壓條件中。如上述，溫度相依電壓VD1為當其在順向偏壓條件中時橫跨二極體D1的電壓。電壓VD2為當其在順向偏壓條件中時橫跨二極體D2的電壓。電壓VD1及VD2的每一個為溫度相依的。例如，當溫度(如、作業溫度)增加時電壓VD1及VD2的每一個具有較低值，而當溫度降低時具有較高值。
比較器310及信號產生器320可形成電路的部分，以依據電壓VD1及VD2產生具有工作週期之信號SENOUT。例如，比較器310可操作以取樣電壓VD1及VD2的值。電壓VD1及VD2的值可分別依據電容器C11及C12的充電時間(如、再充電)。電容器C11及C12的每一個之充電時間為其針對電容器的每一個從特定電壓(如、VD1或VD2)充電到參考電壓(如、VREF)所花的時間量。例如，電容器C11及C12的充電時間可分別依據電壓VD1及VD2的值，電壓VD1及VD2的值則依據二極體D1及D2的尺寸比。如此，雖然電容器C11及C12可具有相同電容，但是電容器C11及C12的充電時間可不同，因為二極體D1及D2的電流密度(如、尺寸比)不同。
信號SENOUT為具有週期P之脈波寬度調變(PWM)信號。週期P的值係依據時間間距(如、相位)t1及t2的值。時間間距t1及t2的值可分別依據電容器C11及 C12的充電時間(如、再充電)。如此，信號SENOUT的工作週期(dc)可分別依據電容器C11及C12的充電時間。
熱感測器303的溫度計算器340可操作，以依據包含在信號SENOUT中的資訊(如、工作週期)來計算溫度值。溫度計算器340可產生資訊TEMPOUT，其指示所計算的溫度值。
如圖3所示，開關S1、S2、S3及S4可受信號Q2及Q1控制。開關S1、S2、S3及S4的每一個可被控制成(例如，打開或關掉)關閉狀態(如、開通狀態或”ON”)及打開狀態(如、斷開狀態或”OFF”)。如上述，輪流充電電容器C11及C12與輪流放電電容器C11及C12可藉由控制開關S1、S2、S3及S4的狀態(ON及OFF)來執行。例如，為了充電電容器C11(在電容器C12被放電的同時)，開關的狀態可如下：開關S1=ON、開關S2=OFF、S3=OFF、及開關S4=ON。為了充電電容器C12(在電容器C11被放電的同時)，開關的狀態可如下：開關S2=ON、開關S1=OFF、開關S3=ON、及S4=OFF。
信號Q2可與信號SENOUT相同。信號Q1可具有相反相位及與信號Q2非重疊(如、信號Q1及Q2為非重疊信號)。信號Q1及Q2的非重疊防止開關S1及S2具有相同狀態(如、防止開關S1及S2二者同時為ON或者同時為OFF)。此在充電電容器C11及C12之間變換期間可防 止錯誤。
在熱感測器303中產生負電壓及施加負電壓以輪流順向偏壓二極體D1及D2可包括下面操作。來自電流源345之電流Ic(與電壓相關聯(如、供應電壓Vcc))可提供同量的電流以在不同時間充電電容器C11的板306及電容器C12的板308。在電容器C11的充電階段中(如、在電容器C12被放電的同時)，在以電流Ic充電(線性充電)電容器C11的頂板306的同時，電容器C11的底板305係經由電晶體P1(其被開通)耦合至接地(如、在圖3的節點399上)。然後，電容器C11的頂板306係耦合至接地(經由開關S4)。此使電容器C11的底板305能夠具有負電壓。來自電容器C11的底板305之負電壓係施加到二極體D1的陰極，使二極體D1能夠在順向偏壓條件中。此偏壓電流(如、未圖示於圖3之ID1)到二極體D1，及使電容器C11能夠經由二極體D1(其係在順向偏壓條件中)朝接地快速放電。當電容器C11的底板305上之電壓到達使二極體D1能夠在非順向偏壓條件之電壓值(如、-VD1)時，電容器C11可停止放電。此處的說明假設忽略與二極體D1相關聯的串聯電阻R。
圖4A為根據此處所說明之一些實施例的充電及放電電容器C11階段期間之電容器C11的頂板306及底板305上之電壓的波形圖，以及控制開關S1之信號Q2的波形圖。如圖4A所示，在時間間距t1(如、在時間451a及451a’之間、在時間451c及451c’之間、及在時間451e及 451e’之間)期間的充電階段中可充電電容器C11的頂板306。在各個充電階段期間，頂板306(圖4)的電壓(如、圖3的對應電壓VC1)可從V1的值改變(如、增加)到V2的值。V1的值可對應於在充電電容器C11的一開始之頂板306的電壓值。V1的值可依橫跨二極體D1之電壓值VD1而定。V2的值可對應於在電容器C11的充電階段結束時之頂板306的電壓值。V2的值可至少等於電壓VREF的值(圖3)。如圖4A所示，在圖4A之時間451a’、451c’、及451e’的每一個中，頂板306的電壓值會降至V0的值(如、在圖3中，當S1=OFF及S3=ON時)。V0的值可以是零(如、接地)或者約0伏特。
如圖4A所示，在電容器C11的頂板306從V1的值被充電到V2的值的同時，電容器C11的底板305之電壓會維持在V0的值。在時間451a’、451c’、及451e’的每一個中，底板305的電壓值會降至零以下到負值-V3。電容器C11之底板305的負值(如、-V3)使二極體D1能夠在順向偏壓條件中。-V3的絕對值(如、V3)可等於V2的絕對值。如此，若V2=VREF，則-V3=-VREF。
同樣地，在圖3中，在電容器的底板307上產生負電壓，及施加到二極體D2的陰極，以使其在順向偏壓條件中。例如，在電容器C12的充電階段中(在電容器C11被放電的同時)，在以電流Ic充電(線性充電)電容器C12的頂板308的同時，電容器C12的底板307係經由電晶體P2(其被開通)耦合至接地(如、在節點399上)。然 後，電容器C12的頂板308係耦合至接地(經由開關S4)。此使電容器C12的底板307能夠具有負電壓。來自電容器C12的底板307之負電壓係施加到二極體D2的陰極，使二極體D2能夠在順向偏壓條件中。此偏壓電流(如、未圖示於圖3之ID2)到二極體D2，及使電容器C12能夠經由二極體D2(其係在順向偏壓條件中)朝接地快速放電。當電容器C12的底板307上之電壓到達使二極體D2能夠在非順向偏壓條件之電壓值(如、-VD2)時，電容器C12可停止放電。此處的說明假設忽略與二極體D2相關聯的串聯電阻R。
圖4B為根據此處所說明之一些實施例的充電及放電電容器C12階段期間之電容器C12的頂板308及底板307上之電壓的波形圖，以及控制開關S2之信號Q1的波形圖。電容器C12的頂板308及底板307上之電壓值的變化會與圖4A之電容器C11的電壓變化類似但相反。例如，如上面參考圖3所說明一般，當電容器C11被充電時，電容器C12被放電；當電容器C11被放電時，電容器C12被充電。如此，在圖4B中，在圖4A之時間451a’及451c之間的時間間距期間會出現時間452b及452b’之間的間距，在圖4A之時間451c’及451e之間的時間間距期間會出現時間圖4B的452d及452d’之間的間距，以及在圖4A的時間451e’之後會出現圖4B的時間452f及452f’之間的間距。
如圖4B所示，在時間間距t2(如、在時間452b及 452b’之間、在時間452d及452d’之間、及在時間452f及452f’之間)期間的充電階段中可電容器C12的頂板308。在各個充電階段期間，頂板308(圖4)的電壓(如、圖3的對應電壓VC1)可從V4的值改變(如、增加)到V5的值。V4的值可對應於在充電電容器C12的一開始之頂板308的電壓值。V4的值可依橫跨二極體D2之電壓值VD2而定。V5的值可對應於在電容器C12的充電階段結束時之頂板308的電壓值。V5的值可至少等於電壓VREF的值(圖3)。如圖4B所示，在時間452b’、452d’、及452f’的每一個中，頂板308的電壓值會降至V0的值(如、當S2=OFF及S4=ON時)。
在電容器C12的頂板308從V4的值被充電到V5的值的同時，電容器C12的底板307之電壓會維持在V0的值。在時間452b’、452d’、及452f’的每一個中，電容器C12的底板307的電壓值會降至零以下到負值-V6。底板307的負值(如、-V6)使二極體D2能夠在順向偏壓條件中。-V6的絕對值(如、V6)可等於V5的絕對值。如此，若V5=VREF，則-V6=-VREF。
如圖4A及圖4B所示，藉由輪流(如、在時間451a’、452b’、451c’、452d、451e’、及452f’)使二極體D1及D2能夠在順向偏壓條件中之熱感測器303(圖303)可產生負電壓(如、-V3或-V6)。此使熱感測器303能夠至少部分依據信號SENOUT的工作週期來析取溫度資訊，其係依據比率尺寸二極體D1及D2的電壓VD1 及VD2之溫度相依所產生。
如此，如上面參考圖3、圖4A、及圖4B所說明一般，在一時間中(如、當S3=ON時)，產生負電壓(如、電容器C11的底板305上)及被用於使二極體D1能夠在順向偏壓條件中，藉以使電壓VD1能夠發展橫跨二極體D1。在另一時間中(如、當S4=ON時)，產生負電壓(如、電容器C12的底板307上)及被用於使二極體D2能夠在順向偏壓條件中，藉以使電壓VD2能夠發展橫跨二極體D2。如上述，電壓VD1及VD2的值係溫度相依。熱感測器303可依據衍生自電壓VD1及VD2的取樣之時序值來產生具有工作週期之PWM信號(如、信號電壓SENOUT)。然後，熱感測器303可至少部分依據PWM信號的工作週期來計算溫度值。
在圖3中，比較器310可操作以藉由比較電壓VC1的值與電壓VREF的值(如、參考電壓)來取樣電壓VD1及VD2的值。根據電容器C11及C12之間哪一個電容器正在被充電，電壓VC1的值係依據電容器C11的頂板306之電壓(如、電荷量)或者電容器C12的頂板308之電壓(如、電荷量)。依據電壓VREF及VC1的值之間的比較，比較器310可產生一些脈波。圖3為依據輪流充電(及放電)電容器C11及C12的三個脈波311、312、及313的例子圖。例如，當在充電電容器C12期間(S2=ON、S1=OFF、及S4=OFF)電壓VC1的值到達電壓VREF的值時，比較器310會產生脈波311。當在充電電容 器C11期間(S1=ON、S2=OFF、及S3=OFF)電壓VC1的值到達電壓VREF的值時，比較器310會產生脈波312。當在另一次充電電容器C12期間(S2=ON、S1=OFF、及S4=OFF)電壓VC1的值到達電壓VREF的值時，比較器310會產生脈波313。產生一次脈波到下一次脈波之間的時序(如、在脈波311、312、及313之中)可依據電容器C11及C12的充電時間。電容器C11的充電時間為電容器C11被充電以便使電壓VC1的值能夠到達電壓VREF的值之時間量。電容器C12的充電時間為電容器C12被充電以便使電壓VC1的值能夠到達電壓VREF的值之時間量。電容器C11及C12的充電時間係分別依據電壓VD1及VD2的溫度相依值，電壓VD1及VD2的溫度相依值則係分別依據二極體D1及D2的電流密度。如上述，二極體D1及D2具有不同的電流密度。如此，電容器C11及C12的充電時間是不同的。
信號產生器320可包括正反器(如、T正反器)，以依據比較器310所產生的脈波(如、311、312、及313)之間的時序來產生具有工作週期(其包括時間間距t1及t2)的信號SENOUT。例如，當產生脈波311時信號產生器320會開始產生信號SENOUT的部位351，而後當產生脈波312時會停止產生部位351及開始產生信號SENOUT的部位352。當產生脈波313時信號產生器320會停止產生部位352。因為比較器310所產生之脈波(如、311、312、及313)的時序係依據電容器C11及C12的充電時 間，所以時間間距t1及t2具有不同值。各個時間比較器310產生脈波(311、312、及313的其中之一)，其使信號產生器320能夠切換信號Q1及Q2，藉以轉換開關S1及S2的狀態(其係分別受到信號Q1及Q2控制)。此方式，信號SENOUT為具有依據時間間距t1及t2的週期P之PWM。因為時間間距t1及t2的值係依據溫度相依電壓VD1及VD2所產生，所以信號SENOUT的週期P為溫度的函數。如此，信號SENOUT的工作週期為溫度的函數。
溫度計算器340可操作以依據信號SENOUT來析取(如、計算)溫度值，及產生指示溫度值之資訊TEMPOUT。例如，溫度計算器340可包括數位計數器，以產生對應於時間間距t1及t2的每一個之時序值的數位資訊(如、對應於圖3之部位351及352的時序值之數位資訊)。溫度計算器340亦包括電路系統(其可執行數學運算)，以依據時間間距t1及t2的數位資訊及其他值(下面討論)來計算溫度值。
在圖3之信號SENOUT中，時間間距t1及t2的值可被表示如下。
如上述，C11的值可同於C12的值(如、C11=C12=C1)。如此，可將公式(1)重寫如下。
有關p-n接面二極體，諸如二極體D(圖2)及二極體D1及D2等，有關溫度T的精確資訊係包含在橫跨二極體的電壓VD(如、二極體-壓降)中：VD=Vg0+tc．T (3)
在公式(3)中，Vg0為矽能帶隙電壓，其為已知值及一般保持相對恆定的值；tc為溫度係數，其依據二極體的電流密度(如、尺寸)而定。
如上面參考圖3所說明一般，二極體D1及D2可具有不同尺寸。如此，依據公式(3)，橫跨圖3之二極體D1及D2的電壓可被表示如下。
VD1=Vg0+tc1．T,VD2=Vg0+tc2．T (4)
在公式(4)中，tc1為二極體D1的溫度係數，其依據二極體D1的電流密度(如、尺寸)而定；tc2為二極體D2的溫度係數，其依據二極體D2的電流密度(如、尺寸)而定。
至少部分依據信號SENOUT的工作週期(dc)(如、時間間距t1及t2的比率)來評估溫度析取(為了計算溫度值)。此方式，可消除對公式(2)中之頻率及電路參數 的依賴(如、IC及C11及C21)。如此，簡化溫度值的計算。能夠針對計算溫度值而進行一些組合，其修改感測器的動態範圍及靈敏度。下面說明例示溫度析取(依據上面公式(2)及(4))。
在公式(5)中，k為波爾茲曼(Boltzmann)常數；N為二極體D1及D2的比率；及T為溫度(在Kevin中)。
依據公式(5)，溫度計算器340可計算溫度值T。
在上面參考圖3所說明之熱感測器303中，為了達成具有單一修整的感測器準確性，電壓VREF可被選擇成具有預定值及溫度特性。
如圖3所示，電晶體P1及P2為PMOS電晶體，其操作(如、接地開關)以在電容器C11及C12的充電階段期間分別耦合電容器C11及C12的底板305及307到接地。使用PMOS電晶體可避免打開(順向偏壓)汲極-塊體接面，其若將NMOS電晶體用於電晶體P1及P2則會發生。此改良熱感測器303的操作。另外，因為電晶體P1及P2為PMOS電晶體，所以負電壓可被用於控制電晶體P1及P2的閘極。在熱感測器303中，因為負電壓可分別利用在C11及C12的底板305及307上(如、分別在電容器C11及C12的放電階段期間)，所以如圖3所示一般藉 由橫向耦合電晶體P1及P2的閘極，負電壓可被用於控制電晶體P1及P2的閘極。此可避免使用額外電壓源(如、來自熱感測器303外部)來控制電晶體P1及P2的閘極。而且，為了在電容器C11及C12的每一個之充電階段的至少部分期間提高電晶體P1及P2的閘極之控制，諸如電容器C21及C22等額外電容器可被用於保持充電，其在電晶體P1及P2的閘極上提供控制。
如上述，熱感測器303的配置使其能夠成為單一修整或沒有修整的熱感測器。此可改良熱感測器303的操作以超越具有多修整之一些習知熱感測器。包括比較器310及信號產生器320使熱感測器303能夠具有簡化的類比至數位轉換器(ADC)，以提供包含溫度資訊之PWM信號(如、信號SENOUT)。與一些習知熱感測器比較，配置熱感測器303亦使其能夠消耗相對較低的電力及使用相對低的供應電壓，及具有改良的熱感測準確性。另外，與具有三終端PNP元件之一些習知熱感測器比較，熱感測器303的二極體D1及D2(其為兩終端元件)使其能夠具有相對更簡易的結構、較不會產生感測參數的誤差，或二者。而且，如上述，因為熱感測器303可包括熱感測器103的結構，所以熱感測器303亦可包括超越一些習知熱感測器的其他改良，如上面參考圖1及圖2所說明一般。
圖5為根據此處所說明之一些實施例的圖3之熱感測器303的變化之熱感測器303’的概要圖。如圖5所示，熱感測器303’可包括與圖3之熱感測器303類似的組件。如 此，為了簡化，將不再重複類似或相同組件的說明。
如圖5所示，可由信號q1及q2分別控制開關S3及S4。信號q1可依據信號Q1及信號CK(如、時脈信號)的時序由脈波產生器531產生。脈波產生器531可包括單擊脈波產生器，其可界定信號q1的取樣時間，使得信號q1能夠依據信號Q1但信號q1可具有比信號Q1短的活動間距(如、較短脈波寬度)。以信號q1(取代信號Q1)來控制開關S3可避免潛在漏流對已取樣電壓VD1的影響(如、可防止經由二極體D1過度放電電容器C11)。此可提高取樣電壓VD1的準確性，藉以提高溫度感測器303的整體準確性。另外，可產生信號q1，使得其與信號Q2非重疊。此防止開關S1及S3具有相同狀態(如、防止開關S1及S3二者同時都在ON或者同時都在OFF)，以便防止電容器C11的充電及放電階段之間的轉換錯誤。
信號q2係可依據信號Q2及信號CK的時序由脈波產生器532產生。脈波產生器532可包括單擊脈波產生器，其可界定信號q2的取樣時間，使得信號q2能夠依據信號Q2但信號q2可具有比信號Q2短的活動間距(如、較短脈波寬度)。以信號q2(取代信號Q2)來控制開關S4可避免潛在漏流對已取樣電壓VD2的影響(如、可防止經由二極體D2過度放電電容器C12)。此可提高取樣電壓VD2的準確性，藉以提高溫度感測器303的整體準確性。另外，可產生信號q2，使得其與信號Q1非重疊。此防止開關S2及S4具有相同狀態(如、防止開關S2及S4二者 同時都在ON或者同時都在OFF)，以便防止電容器C12的充電及放電階段之間的轉換錯誤。
如圖5所示，熱感測器303’亦可包括電壓產生器(如、充電泵)561及562，以提供電壓(如、負電壓)給電晶體P1及P2的閘極，以便控制(如、開通及斷開)電晶體P1及P2。例如，電壓產生器561及562的每一個可包括充電泵(如、具有由負電壓(如、-Vdd)所充電之電容器)，其可產生負電壓以控制電晶體P1及P2的閘極。使用分開的電壓產生器561及562(取代如圖3之橫向耦合電晶體P1及P2的閘極)可在電容器C11經由二極體D1放電時避免電晶體P2的已降低閘極驅動之影響，以及在電容器C12經由二極體D2放電時避免電晶體P1的已降低閘極驅動之影響。類似於熱感測器303(圖3)，圖5之熱感測器303’可具有超越習知熱感測器的改良，如上面參考圖3至圖4B所說明一般。
圖5為二極體D1及D2具有不同尺寸之例子圖。另一選擇是，二極體D1及D2可具有相同尺寸，但是不同電流可被用於順向偏壓二極體D1及D2。例如，信號q1及q2可被產生具有不同的脈波寬度，使得二極體D1係在順向偏壓條件中之時間量不同於二極體D2係在順向偏壓條件中之時間量。二極體D1及D2在順向偏壓條件中的不同時間量產生用於使二極體D1及D2能夠在順向偏壓條件中之不同的電流密度。作為例子，可將信號q2之脈波寬度產生成為信號q1之脈波寬度的X倍(其中X大於 一)。此使在二極體D2上取樣電壓VD2時之二極體D2的電流密度能夠小於在取樣電壓VD1時之二極體D1的電流密度。
如上面參考圖3所說明一般，為了達成具有單一修整的感測器準確性，電壓VREF可被選擇成具有預定值及溫度特性。然而，在熱感測器303(圖3)或303’(圖5)之一些配置中，若無法取得Vdd之準確已知值及溫度特性，則電壓VREF的值可被選擇如下。例如，電壓VREF的值可被選擇成大於電壓VD1及VD2的每一個之值(如、期望值)的任意值。然後，可執行量測以測量充電電容器C11或C12從0.0V到電壓VREF的選定任意值所需之時間(如、t0)。此可以是當熱感測器303(圖3)或303’(圖5)被切換成開通(如、賦能)時所產生之最初脈波的其中之一。此方式，電壓VREF的值變成參考電流Ic及C1，如同上述公式(2)中的其他電壓值一般。利用此新參數(其為電壓VREF的函數)，可選擇修改的公式(不同於上述公式(5))，其亦包括”t0”及獨立於電壓VREF的值之外來進行溫度計算。
上面參考圖1至圖5所說明之設備(如、包括熱感測器103、303、303’之設備100)及方法(如、熱感測器103、303、及303’的操作)的圖解欲用於提供對各種實施例的結構之一般性瞭解，及並不用於提供使用此處所說明之結構的設備之所有元件及特徵的完全說明。
此處所說明之設備(如、包括熱感測器103、303、 303’之設備100)可包括或被包括在電子電路中，諸如高速電腦、通訊及信號產生電路、單一或多處理器模組、單一或多崁入式處理器、多核心處理器、訊息資訊開關、及包括多層、多晶片模組之特殊應用模組等。此種設備可被另包括作為各種其他設備(如、電子系統)內的子組件，諸如電視、蜂巢式電話、個人電腦(如、膝上型電腦、桌上型電腦、手提式電腦、平板電腦等)、工作站、無線電、視頻播放器、音頻播放器(如、MP3(動態圖形專家小組、音頻層5)播放器)、車輛、醫療裝置(如、心臟監視器、血壓監視器等)、機上盒、及其他等。
額外摘記及例子
例子1包括主題(諸如裝置、電子設備(如、電路、電子系統、或二者)、或機器等)，其包括節點，用以接收接地電位；第一二極體，其包括耦合至節點之陽極；第二二極體，其包括耦合至節點之陽極；第一電路，用以施加電壓到第一二極體及第二二極體的每一個之陰極，以使第一二極體及第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨第一二極體的第一電壓及橫跨第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。
在例子2中，例子1的主題可選用地包括，另包含溫度計算器，以至少部分依據信號的該工作週期來計算溫度值。
在例子3中，例子1或2的主題可選用地包括，其 中，第一二極體及第二二極體係配置成以不同電流密度進行偏壓。
在例子4中，例子1或2的主題可選用地包括，其中，第一電路係配置成使第一二極體及第二二極體能夠於不同時序在順向偏壓條件中。
在例子5中，例子1或2的主題可選用地包括，其中，第一電路包括電容器，及電路係配置成：當電容器的第二板耦合至節點時充電電容器的第一板；以及將第二板與節點解偶，及將第一板耦合至節點以產生施加到第一二極體及第二二極體的其中之一的陰極之電壓。
在例子6中，例子5的主題可選用地包括，其中，電容器被充電一時間量，直到第一板到達參考電壓為止，並且信號的工作週期係依據時間量。
在例子7中，例子1或2的主題可選用地包括，其中，第一電路包括：第一電容器，係耦合至第一二極體；第二電容器，係耦合至第二二極體；第一p通道電晶體，係耦合在第一電容器與節點之間；以及第二p通道電晶體，係耦合在第二電容器與節點之間。
在例子8中，例子7的主題可選用地包括，其中，第一p通道電晶體的閘極係耦合至第二二極體的陰極，及第二p通道電晶體的閘極係耦合至第一二極體的陰極。
在例子9中，例子8的主題可選用地包括，其中，第一電路包括：第一額外電容器，其係耦合至第一p通道電晶體的閘極；及第二額外電容器，其係耦合至第二p通道 電晶體的閘極。
例子10包括主題(諸如裝置、電子設備(如、電路、電子系統、或二者)、或機器等)，其包括第一材料；第一二極體及第二二極體，第一二極體及第二二極體的每一個包括p-n接面，p-n接面係由第一材料的一部分及第二材料的一部分所形成；第一電路，用以產生負電壓，及施加負電壓到第一二極體及第二二極體，以輪流使第一二極體及第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨第一二極體的第一電壓及橫跨第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。
在例子11中，例子10的主題可選用地包括，其中，第一材料係包括在基板中，及第二材料為形成在基板中之n阱的部分。
在例子12中，例子10的主題可選用地包括，其中，第一二極體及第二二極體具有彼此不同的尺寸比。
在例子13中，例子10-12的任一個之主題可選用地包括，其中，第一電路包括充電泵以產生負電壓。
在例子14中，例子10-12的任一個之主題可選用地包括，其中，第一電路包括耦合至第一二極體之第一電容器與耦合至第二二極體之第二電容器，及第一電路係配置成：輪流充電第一電容器的第一板及第二電容器的第一板；以及將第一電容器的第一板及第二電容器的第一板輪流耦合至接地，以在第一電容器的第二板及第二電容器的第二板處輪流產生負電壓。
在例子15中，例子14的主題可選用地包括，其中，第二電路包括比較器，以比較參考電壓與來自第一電容器及第二電容器的每一個之第一板的電壓來產生脈衝，使得信號的工作週期係依據脈衝之間的時序。
在例子16中，例子14的主題可選用地包括，另包含電流源，以提供電流來充電第一電容器及第二電容器的每一個之第一板。
在例子17中，例子10-12的任一個之主題可選用地包括，另包含溫度計算器，以至少部分依據信號的工作週期來計算溫度值。
例子18包括主題(諸如裝置、電子設備(如、電路、電子系統、或二者)、或機器等)，其包括：基板，其包括p型材料；多閘極電晶體結構，係形成在基板之上；第一二極體及第二二極體，第一二極體及第二二極體的每一個包括p-n接面，p-n接面係由基板的一部分及形成在基板之上的n型材料之一部分所形成；第一電路，用以施加負電壓到第一二極體及第二二極體，以輪流使第一二極體及第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨第一二極體的第一電壓及橫跨第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。
在例子19中，例子18的主題可選用地包括，其中，多閘極電晶體結構包括三閘極電晶體。
在例子20中，例子18的主題可選用地包括，其中，多閘極電晶體結構包括鰭式場效(finFET)電晶體。
在例子21中，例子18-20的任一個之主題可選用地包括，另包含溫度計算器，以至少部分依據信號的工作週期來計算溫度值。
例子22包括主題(諸如操作裝置、電子設備(如、電路、電子系統、或二者)、或機器的方法等)，其包括：產生負電壓；施加負電壓到第一二極體及第二二極體的每一個，以使第一二極體及第二二極體的每一個能夠在順向偏壓條件中；取樣橫跨第一二極體的第一電壓及橫跨第二二極體的第二電壓；依據第一電壓及第二電壓的取樣，將第一電壓及第二電壓的值轉換成時序值；以及依據時序值來產生具有工作週期的脈波寬度調變信號。
在例子23中，例子22的主題可選用地包括，另包含至少部分依據信號的工作週期來計算溫度值。
在例子24中，例子22或23的主題可選用地包括，其中，產生負電壓包括：在將電容器的第二板耦合至接地的同時充電電容器的第一板；以及將第二板與接地解偶，及將第一板耦合至接地以在第二板上產生負電壓。
在例子25中，例子22或23的主題可選用地包括，其中，產生負電壓包括：輪流充電第一電容器的第一板及第二電容器的第一板；以及將第一電容器的第一板及第二電容器的第一板輪流耦合至接地，以在第一電容器的第二板及第二電容器的第二板處輪流產生負電壓。
在例子26中，例子25的主題可選用地包括，其中，以同一電流源充電第一電容器及第二電容器的每一個之第 一板。
例子27包括主題(諸如裝置、電子設備(如、電路、電子系統、或二者)、或機器等)，其包括執行機構，用以執行申請專利範圍第22-26項之方法的任一個。
例子1至例子27的主題可以任何組合方式來組合。
上述說明及圖式圖解一些實施例以使精於本技藝之人士能夠實施本發明的實施例。其他實施例可結合結構、邏輯、電方面、處理、及其他變化。例子僅表列可能的變化。一些實施例的部分及特徵可被包括在其他實施例的部分及特徵中或者被它們取代。在閱讀及瞭解上述說明時，許多其他實施例對精於本技藝之人士將顯而易見。因此，各種實施例的範疇係由附錄的申請專利範圍以及連同此種申請專利範圍賦予權利之同等物的全範圍一起來決定。
C11‧‧‧電容器
C12‧‧‧電容器
C21‧‧‧電容器
C22‧‧‧電容器
S1‧‧‧開關
S2‧‧‧開關
S3‧‧‧開關
S4‧‧‧開關
P1‧‧‧電晶體
P2‧‧‧電晶體
303‧‧‧熱感測器
305‧‧‧底板
306‧‧‧頂板
307‧‧‧底板
308‧‧‧頂板
310‧‧‧比較器
311、312、313‧‧‧脈波
320‧‧‧信號產生器
340‧‧‧溫度計算器
345‧‧‧電流源
351‧‧‧部位
352‧‧‧部位
399‧‧‧節點

Claims (21)

  1. 一種設備，包含：節點，用以接收接地電位；第一二極體，其包括耦合至該節點之陽極；第二二極體，其包括耦合至該節點之陽極；第一電路，用以施加電壓到該第一二極體及該第二二極體的每一個之陰極，以使該第一二極體及該第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨該第一二極體的第一電壓及橫跨該第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項之設備，另包含溫度計算器，以至少部分依據該信號的該工作週期來計算溫度值。
  3. 根據申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一二極體及該第二二極體係配置成以不同電流密度進行偏壓。
  4. 根據申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一電路係配置成使該第一二極體及該第二二極體能夠於不同時序在該順向偏壓條件中。
  5. 根據申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一電路包括電容器，及該電路係配置成：當該電容器的第二板耦合至該節點時充電該電容器的第一板；以及 將該第二板與該節點解偶，及將該第一板耦合至該節點以產生施加到該第一二極體及該第二二極體的其中之一的該陰極之該電壓。
  6. 根據申請專利範圍第5項之設備，其中，該電容器被充電一時間量，直到該第一板到達參考電壓為止，並且該信號的該工作週期係依據該時間量。
  7. 根據申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一電路包括：第一電容器，係耦合至該第一二極體；第二電容器，係耦合至該第二二極體；第一p通道電晶體，係耦合在該第一電容器與該節點之間；以及第二p通道電晶體，係耦合在該第二電容器與該節點之間。
  8. 根據申請專利範圍第7項之設備，其中，該第一p通道電晶體的閘極係耦合至該第二二極體的該陰極，及該第二p通道電晶體的閘極係耦合至該第一二極體的該陰極。
  9. 根據申請專利範圍第8項之設備，其中，該第一電路包括第一額外電容器，其係耦合至該第一p通道電晶體的該閘極；及第二額外電容器，其係耦合至該第二p通道電晶體的該閘極。
  10. 一種設備，包含：第一材料； 第一二極體及第二二極體，該第一二極體及該第二二極體的每一個包括p-n接面，該p-n接面係由該第一材料的一部分及第二材料的一部分所形成；第一電路，用以產生負電壓，及施加該負電壓到該第一二極體及該第二二極體，以輪流使該第一二極體及該第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨該第一二極體的第一電壓及橫跨該第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。
  11. 根據申請專利範圍第10項之設備，其中，該第一材料係包括在基板中，及該第二材料為形成在該基板中之n阱的部分。
  12. 根據申請專利範圍第10項之設備，其中，該第一二極體及該第二二極體具有彼此不同的尺寸比。
  13. 根據申請專利範圍第10項之設備，其中，該第一電路包括充電泵以產生該負電壓。
  14. 根據申請專利範圍第10項之設備，其中，該第一電路包括耦合至該第一二極體之第一電容器與耦合至該第二二極體之第二電容器，及該第一電路係配置成：輪流充電該第一電容器的第一板及該第二電容器的第一板；以及將該第一電容器的該第一板及該第二電容器的該第一板輪流耦合至接地，以在該第一電容器的第二板及該第二電容器的第二板處輪流產生該負電壓。
  15. 根據申請專利範圍第14項之設備，其中，該第二電路包括比較器，以比較參考電壓與來自該第一電容器及該第二電容器的每一個之該第一板的電壓來產生脈衝，使得該信號的該工作週期係依據該等脈衝之間的時序。
  16. 根據申請專利範圍第14項之設備，另包含電流源，以提供電流來充電該第一電容器及該第二電容器的每一個之該第一板。
  17. 根據申請專利範圍第10項之設備，另包含溫度計算器，以至少部分依據該信號的該工作週期來計算溫度值。
  18. 一種設備，包含：基板，其包括p型材料；多閘極電晶體結構，係形成在該基板之上；第一二極體及第二二極體，該第一二極體及該第二二極體的每一個包括p-n接面，該p-n接面係由該基板的一部分及形成在該基板之上的n型材料之一部分所形成；第一電路，用以施加負電壓到該第一二極體及該第二二極體，以輪流使該第一二極體及該第二二極體能夠在順向偏壓條件中；以及第二電路，用以依據橫跨該第一二極體的第一電壓及橫跨該第二二極體的第二電壓來產生具有工作週期的信號。
  19. 根據申請專利範圍第18項之設備，其中，該多閘極電晶體結構包括三閘極電晶體。
  20. 根據申請專利範圍第18項之設備，其中，該多閘極電晶體結構包括鰭式場效(finFET)電晶體。
  21. 根據申請專利範圍第18項之設備，另包含溫度計算器，以至少部分依據該信號的該工作週期來計算溫度值。
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