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在食品存储、冷链物流、电网温度检测和电子系统温度管理等领域,温度传感器有着广泛的应用。然而,随着系统集成化、低功耗以及低成本需求的持续增加,使得基于特殊材料制造的温度传感器在很多场合难以满足要求。为了解决上述难题,互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor,CMOS）集成温度传感器应运而生,并且因其低功耗、低成本和微型化等优点而迅速得到了工业界和学术界的青睐。CMOS集成温度传感器主要分为两大类:电压域和时域。电压域温度传感器采用随温度变化的电压信号表征温度信息,具有高精度与高分辨率等优点。由于模数转换器（analog-to-digital converter,ADC）是该类温度传感器的重要组成部分,所以设计难度大并且具有功耗和芯片面积较大等缺点。时域温度传感器是一种基于温度敏感频率或者延迟时间的温度传感器。该温度传感器采用频率数字转换器或者时间数字转换器完成温度信号的数字化,使温度传感器可以以全数字的方式实现,有效降低了设计难度、功耗和芯片面积。然而,由于传统的时域感温电路受电源电压和非线性等非理想因素的影响具有较大的测温误差。为解决电压域和时域温度传感器的缺点,本文对CMOS工艺的温度特性进行了深入的研究,并设计两款温度传感器。其中时域温度传感器具有良好的电源电压抑制能力以及较高的转换速率;电压域温度传感器具有较高的测量精度以及较小的芯片面积和功耗。本文主要的研究包括CMOS工艺的温度特性,低功耗、低噪声、高线性度和高灵敏度的感温电路设计方法以及高分辨率和高精度量化方法;采用理论分析和电路实现二者相结合的方法展开研究,并通过芯片测试验证理论和方法的正确性。具体包括以下几个方面:1)研究CMOS工艺的温度特性。CMOS工艺中,双极型晶体管、金属氧化物半导体晶体管和电阻是设计温度传感器的核心器件。本文研究CMOS工艺中双极型晶体管、金属氧化物半导体晶体管和电阻的温度特性。对各种器件非理想因素,包括机械应力、偏置电流、基极电阻和基极宽度等,导致的测温误差进行定量分析。考虑到CMOS工艺的偏差,论文研究了温度传感器的校准技术,以降低工艺对测温精度的影响。2)提出一种基于环形振荡器、低电源电压灵敏度的高速时域温度传感器。芯片将温度信息转换为与绝对温度成反比的频率,然后利用频率数字转化器进行数字化。利用与绝对温度成反比的电压为环形振荡器供电,以增加温度灵敏度和转换率,从而解决了传统时域温度传感器温度灵敏度受限于逻辑门电路温度特性的问题。针对电源电压变化导致的测温误差,提出一种电源增益为1的放大器。考虑到频率和温度之间的非线性,提出一种基于分段线性拟合的频率数字转化器,从而提高温度测量精度。基于TSMC 180nm CMOS工艺对该温度传感器进行了流片,芯片核心面积为0.048mm2。在-45℃～85℃温度范围内,单点校准后的误差为±1.5℃。即使转换率高达45kS/s,传感器依然保持0.25℃的分辨率。电源电压为1.8V时,每次测温功耗为7.8nJ。当电源电压为1.4V～2.4V时,电源灵敏度为0.5℃/V。测试结果表明,所设计的温度传感器适合应用于片上系统的温度监控。3)提出了一种基于双极型晶体管的低功耗、高精度温度传感器,核心模块包括基于双极型晶体管的前端感温电路和ZOOM ADC。ZOOM ADC通过对VBE和（35）VBE的比例进行量化,然后通过简单的数学运算便可获得以摄氏度为单位的温度测量值。设计目标是低功耗,小的芯片面积和高精度。首先将感温电路各非理想因素导致的温度误差需降低到0.01℃以下。通过自动归零、系统级斩波与偏置电路斩波相结合,减小了由失调引起的误差。采用一种特殊的偏置电路,使传感器对双极型晶体管的电流增益变化和电源电压变化不敏感。通过动态单元匹配技术消除了与失配相关的误差。因此,双极晶体管基极-发射极电压和电阻的工艺偏差是电路技术无法消除的重要误差源。该误差需通过单点热校准消除。同时,采用逐次逼近（successive approximation,SAR）ADC和增量sigma delta ADC混合的ZOOM ADC完成温度敏感电压的量化。得益于结合了SAR和增量sigma delta结构的优点,该ADC具有低功耗,高分辨和高精度的优点。由于采用一种高能效的采样方法,将温度量化时间减少两倍。电路采用TSCM 65nm CMOS工艺实现,核心面积为0.16mm2。测试结果表明,通过在30℃下进行热校准,在-40℃～125℃的温度范围内可获得±0.4℃的测温误差。在1.2V的电源电压下,电流消耗为15μA,转换率为12S/s。当电源电压为1.1V～1.3V时,电源灵敏度为1℃/V。