在工农业生产和科学研究过程中,温度是需要测量和控制的一个重要参数,因此,在各种传感器中,温度传感器是应用最广泛的一种。而其中集成电路温度传感器与传统类型温度传感器相比,具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。以往大多数的集成温度传感器是用双极型工艺实现的,但是CMOS电路凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点成为现今的主流工艺,所以能在标准CMOS工艺中实现的集成温度传感器在多传感器系统的温度补偿、VLSI芯片功耗控制、自动化制造工厂的环境温度监控、消费电子产品的温度控制等系统中具有广阔的开发与应用前景。国外CMOS温度传感器的设计和生产都已经达到相当高的水准。但在国内CMOS温度传感器的研究设计和生产尚处于起步阶段,还没有产品在市场上出现。本文分析了国内外CMOS温度传感器产品和文章,比较了各种设计原理的优缺点,选择了以CMOS工艺寄生的纵向双极晶体管作为感温元件的测温原理进行温度传感器电路的设计。本文在学习和分析了各种利用寄生双极晶体管进行设计的CMOS温度传感器电路形式的基础上,采用了带隙的感温结构(工作在不同电流密度下的两个双极晶体管基-射极电压差与绝对温度成正比),也叫PTAT(proportional tu absolute temperature,与绝对温度成正比)电路。并结合所掌握的模拟电路原理和知识,提出了采用两个三极管串联以提高温度灵敏度和降低运算放大器失调的影响,以及在PTAT电路后加上一条电流镜和电阻的支路使输出的温度敏感电压为两电阻比值的函数,消除了单个电阻温度系数对温度传感器温度灵敏度的绝对值及线性的影响。对于后续接口部分,设计了电平转换电路和比例放大电路以达到系统对输出电压范围和温度灵敏度的要求。采用Hspice电路仿真工具在全温度测量范围内(—40 ~ +60℃)对电路的温度特性和电压输出范围进行模拟,结果表明,通过调节比例放大电路中反馈电阻的大小,温度传感器输出电压的温度灵敏度可达到10mV/℃左右。本文采用TannerTM L-edit软件完成了版图设计。在设计中,考虑到本文所设计的温度传感器是用于5V电源系统中及成本的降低,选择采用2μm的CMOS工艺,实现温度传感器的制造。文中对电路中关键器件的版图设计进行了阐述,并充分考虑了布局布线对模拟电路的影响,完成了DRC文件、版图参数提取文件等必要的版图设计的辅助文档,通过后仿真验证了版图与电路原理图的一致性。电路的制备采用2μm P阱单多晶单金属工艺,在中国电子科技集团第58研究所流片。文中给出了工艺参数和电路各主要模块性能的测试条件和测试结果。测试结果表明,工艺参数与模拟值基本相符;电平转换电路和比例放大电路的性能符合设计指标,文中给出了测试曲线和数据。本文最后给出了作者经过从感温原理的选择、电路形式的提出到具体电路的设计和仿真、版图的设计和检查,以及流水测试全过程后得到的一些结论和经验。