【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器，具体为一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器。
技术介绍
1、目前，片上温度传感与补偿作为降低温度灵敏度的有效手段，已成为各类soc(system on chip，片上系统)中不可缺少的一部分。片上温度传感作为一种间接温度补偿的方式，所得到的温度值通过数字处理，既可以用于监测当前应用环境温度的变化，以作为预警或对系统进行动态调控，还可以用于其他对温度的敏感度较高的模块的参数补偿，降低因环境温度变化带来的误差，提升系统性能；并且相对于分立器件实现的温度传感，基于cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺的片上温度传感器具有高集成度、较好的兼容性与较低成本，因此学术界与产业界对其进行了广泛的研究。此外，由于系统各模块对温度敏感度性能要求不同，对于一些模块的温度补偿的实现，采用直接在模拟设计中进行温度补偿的方式，可以有效降低设计复杂度，以较低成本实现对系统性能的提升。因此，如何针对不同的应用场景，研究高性能的片上温度传感与补偿的关键技术以提升系统性能，同时降低应用成本(如设计面积、校准等)，具有重要的科学意义和应用价值。
2、在一些工业传感的应用中，需要在较高温度(>125℃)和较低温度(<-20℃)下对温度进行监控和报警，从而实现对系统内其他部分进行状态预警或调控，实现单片传感器的温度监测，如rfid的标签温度监测。rfid可以实现在无电源情况下，仅依靠射频能量就能实现测温并传输温度数据的功能，因此温度传感器具
3、现有支持宽测温范围的高精度cmos温度传感器主要有两种方案。在第一种方案中，以双极型晶体管为感温前端产生与温度相关的电压，后接定制化的电压域离散时间开关电容型adc(analog-to-digital converter，模拟数字转换器)为读出接口。开关电容型adc根据电荷平衡原理，利用调制器的输出结果控制选择感温前端生成的或vbe作为adc的输入或参考电压，使得adc最终的衡量结果为或vbe相关的比值，再通过数字域后端计算等效得到与温度线性相关的值µ：其可通过复用一级积分器实现两种转换逻辑，具有较快的转换速度，但通常需要较大面积的采样电容来实现sar逻辑以及对δvbe的放大，同时为了降低采样电容间的不匹配带来的误差，需要对采样电容进行dem，增加了控制复杂度，较多的控制开关也增大了高温下开关漏电流导致的系统误差。
4、第二种读出接口实现方式是以delta-sigma adc为读出接口，其最终的量化值为，n为的放大倍数。该方案将第一阶积分器在采样保持两次后得到的电压再输入第二阶积分器进行采样保持，通过电荷平衡方案，使得第一阶积分器所积电荷在输出的比特流为1时正比于，在输出比特流为0时正比于，从而实现的3倍放大，最终的adc量化值。同样的，通过在数字域的进一步转化，得到与温度线性相关的值µ：
5、在第二种支持宽测温范围的高精度cmos温度传感器方案中，是以韦恩电桥rc滤波器作为前端，通过电阻随温度的变化产生与温度相关的相位，后接定制化的相位域连续时间delta-sigma adc作为读出接口。通过输入与韦恩电桥rc滤波器本征频率同频的参考时钟信号φref+和φref-，产生带有与温度相关的相位信号φwb(t)，将该信号输入相位域连续时间delta-sigma adc，在其中的混频器里与和本征频率同频的相位域dac时钟信号φ0或φ1相结合，生成带有φwb(t)信息的直流信号，再通过环路滤波器、量化器与数字滤波器，得到带有φwb(t)信息的直流输出。通过该直流输出进行拟合可得到电阻值，再通过一阶拟合即可得到温度值。该方案可实现和传统以双极型晶体管为感温前端的类似的测温精度，但该方案需要几十pf的积分电容，该积分电容会占据较大的面积，同时由于相位域delta-sigma调制器本身具有余弦型非线性，与温度相关的相位值和电阻值的转换关系也为非线性，同时电阻本身随温度变化也具有非线性，因此需要通过多次大于6阶的高阶拟合才能将读出结果转换为温度值并消去高阶系统非线性，转换过程较为复杂，且测温误差很依赖于所使用工艺的电阻的温度非线性特性。
6、然而，本领域技术人员仍然迫切期待提供一种具有优良性能的可用于监控医药冷链运输的宽量程高精度低功耗片上温度传感器，以满足需要冷链运输环境的疫苗、药品、食品等产品的温度监控。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种具有优良性能的可用于监控医药冷链运输的宽量程高精度低功耗片上温度传感器，其亦可称为cmos温度传感器，以满足需要冷链运输环境的疫苗、药品、食品等产品的温度监控。已经出人预料地发现，通过本专利技术的设计，所述片上温度传感器具完全能够满足设计要求，例如完全能够满足需要冷链运输环境的疫苗、药品、食品等产品的温度监控。本专利技术基于此类发现而得以完成。
2、一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，片上温度传感器以串联的npn型三极管作为感温前端，产生和vbe，以2阶1bit量化的增量式delta-sigma adc作为读出接口，adc的数字滤波器部分在片外实现；adc根据电荷平衡原理，利用调制器的输出结果选择输入调制器的信号大小；将调制器产生的比特流经过数字滤波器后，得到1bit码流平均值；最后通过在数字域中的计算，可得到与温度线性相关的值µ：
3、式4，
4、其中b是一个常量，由
5、式1，
6、其中，vbe表示三极管基极发射极压差，δvbe表示三极管基极发射极压差变化值，可知，α=4·b；再通过以下式5的线性拟合公式：
7、式5，
8、得到以摄氏度为单位的参考温度值t，其中a和b均为计算温度的拟合系数。
9、进一步的方案是，通过电荷平衡原理使得在1bit码流平均值中放大4倍，增大1bit码流平均值对温度变化的灵敏度，同时当温度在-40℃到150℃变化时，adc输出的1bit码流平均值x在0.15至0.5的范围内变化，增大对adc的动态范围的利用；和/或，
10、其用于-40℃至150℃范围的温度测定。
11、进一步的方案是，所述片上温度传感器兼容电压校准，电压校准通过直接或间接测量片上产生的与温度相关的电压，并由电压计算出当前的参考温度值t，其中，通过用比例为p:1的电流偏置两个相同的bjt晶体管产生的与温度正相关的电压可表示为：
12、式6，
13、其中k为玻尔兹曼常数，t为以摄氏度为单位的参考温度值，i1为温度t对应的晶体管实时电流，q为电子电荷量，is为bjt晶体管的饱和电流；电压校准通过外接一个确定的精准电压vext实现；在校准模式下，输入调制器的电压为与vext，最终可得到等效的1bit码流平均值xcal：
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【技术保护点】
1.一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：片上温度传感器以串联的NPN型三极管作为感温前端，产生和VBE，以2阶1bit量化的增量式delta-sigmaADC作为读出接口，ADC的数字滤波器部分在片外实现；ADC根据电荷平衡原理，利用调制器的输出结果选择输入调制器的信号大小；将调制器产生的比特流经过数字滤波器后，得到1bit码流平均值；最后通过在数字域中的计算，可得到与温度线性相关的值µ：
2.根据权利要求1所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于，所述片上温度传感器兼容电压校准，电压校准通过直接或间接测量片上产生的与温度相关的电压，并由电压计算出当前的参考温度值T，其中，通过用比例为p:1的电流偏置两个相同的BJT晶体管产生的与温度正相关的电压可表示为：
4.根据权利要求3所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：基于串联NPN型三极管的感温前端，片上温度传感器电路还包括了电流偏置电路与感温核心电路；电
5.根据权利要求4所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：在2阶1bit量化的增量式delta-sigma ADC作为读出接口的模式中，采用过采样技术，采样电容上的采样热噪声可表示为：
6.根据权利要求5所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于，所述调制器采用积分器级联前馈型结构，并采用1bit量化器作为动态比较器；其中，
7.根据权利要求6所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：所述调制器采用的两级积分器中的放大器均采用折叠共源栅型放大器；其中，
8.根据权利要求7所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：所述调制器在感温模式与校准模式两种情况下进行工作；其中，
9.根据权利要求8所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：片上温度传感器以串联的npn型三极管作为感温前端，产生和vbe，以2阶1bit量化的增量式delta-sigmaadc作为读出接口，adc的数字滤波器部分在片外实现；adc根据电荷平衡原理，利用调制器的输出结果选择输入调制器的信号大小；将调制器产生的比特流经过数字滤波器后，得到1bit码流平均值；最后通过在数字域中的计算，可得到与温度线性相关的值µ：
2.根据权利要求1所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于，所述片上温度传感器兼容电压校准，电压校准通过直接或间接测量片上产生的与温度相关的电压，并由电压计算出当前的参考温度值t，其中，通过用比例为p:1的电流偏置两个相同的bjt晶体管产生的与温度正相关的电压可表示为：
4.根据权利要求3所述的一种用于监控医药品冷链运输的片上温度传感器，其特征在于：基于串联npn型三极管的感温前端，片上温度传感器电路还包括了电流偏置电路与感温核心电路；电流偏置电路提供ptat偏置电流，以补偿由于vbe的非线性导致的温度非线性误差；感...
【专利技术属性】
技术研发人员：易路遥，肖小武，刘绪平，万勇，陈秀良，陈文强，王绎，杨婷婷，况慧，
申请(专利权)人：江西省药品检验检测研究院，
类型：发明
国别省市：
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