一种用于安全芯片的高性能温度监测传感器设计*

刘文娟， 赵毅强， 李雪民， 赵国芬

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)

0 引 言

近年来，随着半导体技术、计算机技术和网络技术的日趋成熟，移动通信、互联网以及各类便携式设备无不渗透到社会的各个领域，由此引发的信息安全问题开始受到研究者的重视。在国防和军事领域，信息疆域安全更成为了国家安全防御体系的新的着力点[1]。信息安全的核心在于保护信息系统和信息本身免受各类干扰、监听和破坏。针对半导体芯片的攻击手段主要包括侵入式攻击和非侵入式攻击，而侵入式攻击具有价格低廉、通用性强、攻击效果较好的优点，成为当今攻击者非常热衷的手段[2]。因此，在设计初期需要将抗攻击防护机制考虑其中，设计具备监测电路的安全芯片。

然而，侵入式攻击往往发生在芯片掉电或者未使用的情况下，入侵者直接对芯片进行开盖、解剖，读取重要信息甚至电路结构。因此，需要在芯片封装体内嵌入微型电池进行实时供电，长期监测芯片状态。众所周知，电池只能在一定的温度范围内正常工作，温度过高或者过低都会影响电池输出电压从而导致芯片工作异常，引发新的安全问题。

本文设计的温度传感器主要应用于安全芯片电池供电系统的异常温度监测，它能够实时监测芯片和电池所处环境的温度值，当温度超过一定阈值时，安全芯片能够及时感知并输出报警信号。

1 温度监测传感器的整体结构

温度监测传感器的结构图如图1所示，主要包括PN结温度传感器[3]和比较器。由于系统内嵌电池选用高温锂亚硫酰氯电池[4，5]，其工作温度范围为-55～125 ℃，因此，温度监测系统的温度阈值分别为-50，120 ℃。经过对PN结温度传感器的仿真和测试，确定高温和低温基准电压阈值。当环境温度低于-50 ℃或者高于120 ℃时，比较器输出相应的预警信号，从而发现异常并做出响应。

图1 温度监测传感器结构图

2 PN结温度传感器的工作原理

随着标准CMOS工艺的快速发展，在N阱工艺中能够兼容CMOS晶体管、双极型晶体管以及PN结，从而利用半导体的温度、光电、压电等效应，制成种类繁多的半导体传感器。已知PN结的正向偏置电压与温度相关，由PN结理想模型的电流电压方程式即肖克莱方程式推导正向偏置电压的温度系数[6]。

已知PN结的电流电压方程为

(1)

(2)

由于PN结结面积一定，所以,式(2)可改写为

(3)

(4)

其中,B为一个比例系数，因为Eg=Eg(0)+βT，设Eg(0)=qVg0，Eg(0)为绝对零度时的禁带宽度，Vg0为绝对零度时导带底和价带顶的电势差[6]，由式(3)可推出

(5)

两边取对数，整理后得

(6)

其中，Vg0,k0,q,m与温度无关，当PN结电流I保持不变时，在一定温度范围内，可以认为PN结正向偏置电压VD与温度T呈近似线性关系，如图2所示为正向偏置电流不同时，硅PN结(10 μm×10 μm)偏置电压与温度的关系。

图2 硅PN结(10 μm×10 μm)正向偏置电压与温度的关系曲线

由图可知，正向偏置电压随温度升高而减小，当电流减小时，温度系数的绝对值增大。例如:偏置电流I=2 μA时，温度系数为-2 mV/℃。PN结温度传感器正是利用其正向偏置电压与温度的相关性设计制作的。为了降低系统功耗，延长电池的工作寿命，电路需要选择较小的偏置电流。

3 PN结温度传感器的电路设计

PN结正向偏置电压与温度的近似线性关系能够满足安全芯片的温度监测范围(-50～120 ℃)。为保证电路的输出摆幅与传感器的灵敏度，采用PN结串联的方式监测温度，电路结构如图3所示。

图3 PN结温度传感器电路图

考虑到PN结的温度系数与电流相关，因此，温度传感器通过电流基准进行偏置。采用电流镜M1与M2，M3与M4，M5与M6，M7，M8镜像电流，M5，M6，M8的宽长比相等，M7的宽长比是M5的2倍，由此可知电流关系

(7)

正向偏置的PN结电流与PMOS管M6的电流相等，由图3可知， PMOS管M7的电流分别流过M9和M10，得

IM7=IM9+IM10.

(8)

又由式(7)、式(8)，可得

(9)

4 测试与仿真结果

基于Global Foundry(GF)0.18 μm 标准CMOS工艺库[8～10]，在Cadence软件环境下，对设计电路进行温度仿真，在-50～120 ℃温度范围内，芯片的仿真结果显示:PN结温度传感器的温度系数为-4.56 mV/℃，当电源电压为3.3 V时，功耗为10.04 μW。根据以上分析，采用GF 0.18 μm标准CMOS工艺设计上述电路并流片测试，芯片版图照片如图4所示。

图4 温度监测传感器芯片照片

温度传感器芯片通过GZ—ESPEC高低温试验，结果如图5所示。

图5 输出电压随温度变化的测试曲线

测试结果表明:在温度范围-50～140 ℃内，温度传感器的实测温度系数为-4.47 mV/℃。在整个温度范围内，温度传感器线性度良好，温度系数基本恒定，经过多片多次测试，不同芯片的温度曲线重复性良好，能够实现温度监测的功能。根据温度测试试验，确定高低温温度阈值电压，经过仿真得如图6所示监测信号。

图6 监测信号随温度变化的曲线

5 结束语

考虑到该温度监测传感器主要应用于电池供电系统，要求芯片集成度高、可靠性强、功耗低等特性，因此，温度监测传感器利用PN结正向偏置电压的温度特性设计PN结温度传感器，实现高线性度高稳定性的温度监测输出。经过对芯片多次测试并仿真，在宽温度范围-50～140 ℃内，温度系数为-4.47 mV/℃，当电源电压为3.3 V时，功耗为10.04 μW，完全满足安全芯片温度监测系统的工作要求。

参考文献:

[1] 沈昌祥．信息安全导论[M]．北京：电子工业出版社，2009．

[2] 陈志敏．安全芯片旁路功耗分析及抗攻击措施[D]．上海：上海交通大学，2006．

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[4] 武汉孚安特科技有限公司．ER2450技术特性[Z]．武汉：武汉孚安特科技有限公司，2010．

[5] 王圣平，吴金平，陈艳玲,等．高温锂亚硫酰氯电池及其作为钻探设备电源的应用[J]．地质科技情报,2006(9)：86-96．

[6] 刘恩科,朱秉升,罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2008.

[7] 拉扎维,陈贵灿,程 军,等.模拟 CMOS 集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社,2003.

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[9] Chowdhury G R,Hassibi A.A 0.001 mm 2 100 μW on-chip temperature sensor with±1.95 ℃(3σ)inaccuracy in 32 nm SOI CMOS[C]∥IEEE International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS),Seoul,2012:1999-2002.

[10] 林赛华,杨华中.新型全CMOS片上温度传感器设计[J].半导体学报,2006,27(3):551-555.