SENSOR DE TEMPERATURA DIFERENCIAL CON INMUNIDAD A INTERFERENCIAS TÉRMICAS.

Sensor de temperatura diferencial con inmunidad a interferencias térmicas.

La presente invención describe un circuito electrónico orientado a ser integrado en un cristal semiconductor capaz de proporcionar una magnitud eléctrica a su salida dependiente de la diferencia de temperatura entre dos zonas de la superficie de dicho cristal semiconductor, y que presenta al mismo tiempo un gran rechazo a posibles interferencias térmicas provenientes de otras zonas del mismo cristal. La figura 1 muestra el símbolo del circuito electrónico. Éste tiene dos entradas de alimentación

(5) y (6), y como salida tiene un nodo (1). Además, tiene diversos dispositivos internos, (2), (3) y (4) en la figura, las temperaturas de los cuales influirán de forma directa en el valor de la magnitud eléctrica del nodo de salida.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201231816.

Solicitante: UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: ALTET SANAHUJES,JOSEP, MATEO PEÑA,DIEGO, GÓMEZ SALINAS,Didac.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE TEMPERATURAS; MEDIDA DE CANTIDADES DE CALOR;... > G01K7/00 (Medida de la temperatura basada en la utilización de elementos eléctricos o magnéticos directamente sensibles al calor (que dan un resultado diferente al valor instantáneo de la temperatura G01K 3/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE TEMPERATURAS; MEDIDA DE CANTIDADES DE CALOR;... > Detalles de los termómetros no especialmente adaptados... > G01K1/20 (Compensación de los efectos de las variaciones de la temperatura diferentes a la que se quiere medir, p. ej. variaciones de la temperatura ambiente)
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SENSOR DE TEMPERATURA DIFERENCIAL CON INMUNIDAD A INTERFERENCIAS TÉRMICAS.

Fragmento de la descripción:

SENSOR DE TEMPERATURA DIFERENCIAL CON INMUNIDAD A INTERFERENCIAS TïRMICAS

Sector de la tïcnica La presente invenciïn se refiere a un circuito electrïnico con magnitud elïctrica de salida dependiente de la diferencia de temperatura de dos zonas del cristal semiconductor en el que se integra, y que presenta al mismo tiempo un gran rechazo a posibles interferencias tïrmicas provenientes de otras zonas del mismo cristal. El sector de la tïcnica al que se refiere es al de la instrumentaciïn electrïnica para la medida de temperatura en circuitos integrados.

Estado de la tïcnica En el sector de la tïcnica de la instrumentaciïn electrïnica existen los denominados sensores de temperatura diferenciales [1]. Son circuitos con aplicaciones en la realizaciïn de mediciones de temperatura en circuitos integrados. Su funcionamiento consiste en que la tensiïn (o corriente) de salida varïa de forma proporcional a la diferencia de temperatura de dos de sus dispositivos, denominados transductores de temperatura. Estos sensores son normalmente utilizados en aplicaciones de test y caracterizaciïn de circuitos integrados, tales y como las descritas por las patentes [2], [3], ya que el funcionamiento de cualquier circuito electrïnico provoca una disipaciïn de potencia y ïsta a su vez una variaciïn de temperatura en sus proximidades. Por lo tanto, una medida de temperatura cerca de este circuito puede proporcionar informaciïn sobre posibles anomalïas y caracterïsticas del mismo. En comparaciïn con los mïtodos clïsicos de verificaciïn de circuitos integrados basados en la medida de magnitudes elïctricas, la utilizaciïn de la temperatura como observable tiene la ventaja principal de que el circuito bajo medida no estï cargado elïctricamente, lo cual es de vital importancia por ejemplo en circuitos de alta frecuencia.

[1] Eduardo Aldrete-Vidrio, Diego Mateo y Josep Altet, “Differential Temperature Sensors Fully Compatible With a 0.35-μm CMOS Process”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 30, NO. 4, DECEMBER 2007.

[2] Patente nïmero 2294888. Procedimiento para determinar las caracterïsticas elïctricas de circuitos analïgicos integrados.

[3] Patente nïmero 2332688. Procedimiento heterodino para la realizaciïn de mediciones de temperatura.

Explicaciïn de la invenciïn Los sensores diferenciales de temperatura son utilizados para realizar mediciones de las variaciones de temperatura que provoca el funcionamiento de un circuito, y a partir de estas mediciones, extraer caracterïsticas elïctricas del circuito. Estos sensores diferenciales tienen como ventaja el hecho de tener una elevada sensibilidad a variaciones de temperatura diferenciales provocadas por la disipaciïn de potencia debida a circuitos ubicados en el mismo cristal semiconductor — (8) en la figura 2 — que el sensor, y muy poca sensibilidad a variaciones de temperatura que afecten por igual a todo el cristal semiconductor, tal y como variaciones de la temperatura ambiente. El estado del arte de los sensores diferenciales de temperatura muestra arquitecturas basadas en amplificadores diferenciales, por ejemplo, dos bipolares acoplados por emisor, bipolares que harïan de transductores de temperatura. Uno de los dos bipolares estarïa situado en la zona de la superficie del cristal semiconductor cuya temperatura se considera de referencia — por ejemplo, (2) en las figuras 1 y 2 —, mientras que el otro — por ejemplo (3) en las figuras 1 y 2 — estarïa situado en la proximidad del dispositivo o circuito cuya variaciïn de temperatura respecto a la de referencia es objeto de medida — (1) en la figura 2 —. La ventaja de este mïtodo de obtenciïn de informaciïn del circuito bajo medida consiste en ser elïctricamente no invasiva, algo beneficioso especialmente en circuitos de altas prestaciones como los analïgicos de alta frecuencia. Un posible inconveniente de un sensor de temperatura diferencial clïsico serïa la debida a que el transductor de medida (el citado como (3) en las figuras 1 y 2) no se verïa influenciado ïnicamente por las variaciones de temperatura del circuito bajo medida — (1) en la figura 2 — si no que tambiïn se podrïa ver influenciado por las variaciones de temperatura de otros dispositivos o circuitos integrados en el mismo cristal y que se encuentren tambiïn en las proximidades de la zona de medida — (7) en la figura 2 —. La presente invenciïn propone una soluciïn para solventar esta posible interferencia tïrmica, sin necesidad de modificar la disposiciïn de los dispositivos o circuitos generadores de dicha interferencia tïrmica.

Si denominamos h a la zona cuya variaciïn de temperatura respecto a la de la zona de referencia desea ser medida — (1) en la figura 2 —, y s a la zona donde situamos el dispositivo transconductor del sensor encargado de medirla — (3) en la figura 2 —, de forma genïrica se puede escribir:

ΔTs = aΔTh

donde a es el coeficiente de acoplamiento tïrmico entre las zonas h y s, y cuyo valor depende de parïmetros como las propiedades fïsicas del material sobre el que se integra toda la circuiterïa y de la distancia entre ambas zonas, lTh es la variaciïn de temperatura que se desea medir, y lTs es la variaciïn de temperatura que se tiene en la zona donde se sitïa el transconductor del sensor, variaciones de temperatura siempre respecto a la de la zona de referencia del sensor diferencial.

Si en vez de tener una ïnica fuente de calor en las cercanïas de h, por el contrario hay mïs fuentes de calor, estas pueden provocar tambiïn una variaciïn de la temperatura en el dispositivo de medida y por lo tanto se pueden considerar como fuentes de calor interferentes. En la figura 2 se ha considerado una ïnica fuente interferente, indicada como (7) , pero de forma genïrica pueden ser mïs las interferencias tïrmicas a considerar para la medida que se estï realizando. Considerando n fuentes de calor interferentes, en tal caso la ecuaciïn anterior se debe escribir:

ΔT = a ΔT + a ΔT +º+ a ΔT

s 1 h12 h2 n hn donde ai es el acoplamiento tïrmico entre cada zona hi donde se encuentra una fuente disipando potencia y la zona s de sensado tïrmico. Una de las zonas hi se considera la zona cuya variaciïn de temperatura se desea medir, por ejemplo h1, y el resto, por ejemplo h2 a hn, zonas cuya temperatura tambiïn ha variado por estar en ellas dispositivos disipativos que provocan una interferencia tïrmica sobre la zona s. El objetivo de la tïcnica de sensado tïrmico mediante sensores de temperatura integrados es estimar lTh1 a partir

de la medida lTs, con lo se deberïan conocer los coeficientes ai y ademïs el valor de los incrementos de temperatura interferentes lThi, con i entre 2 y n. Los coeficientes ai pueden ser estimados a priori a partir del layout del circuito mediante simulaciïn computacional, pero los incrementos de temperatura interferentes serïn en general no predecibles.

La presente invenciïn propone eliminar el efecto de las temperaturas interferentes mediante la utilizaciïn de mïs de un dispositivo sensor —en la figura 2 se ha considerado un ïnico dispositivo sensor extra, indicado como (4) — . Asï, asumiendo la utilizaciïn de m dispositivos sensores (ademïs del de referencia, indicado como (2) en la figura 2) , la ecuaciïn anterior se transforma en un sistema de m ecuaciones:

ΔTs1

ΔTh

aa .. a

1112 1

n

ΔTs2

.

.

ΔTh

a . .. a

2 2

n =

. ... .

. ... .

.

.

.

mn ΔThn

a . .. a

m1

...

 


Reivindicaciones:

1. Un circuito electrïnico integrado en un dado de cristal semiconductor caracterizado porque la variaciïn de su magnitud elïctrica de salida dependa de la diferencia de temperatura entre dos zonas de dicho cristal, siendo capaz al mismo tiempo de no depender de los incrementos de temperatura que tengan lugar en otras zonas del mismo cristal semiconductor. Teniendo m-1 fuentes de temperatura interferentes, y asumiendo un sensor de salida en modo tensiïn (podrïa ser en modo corriente) , es posible obtener a la salida del sensor una medida proporcional ïnicamente a la diferencia de temperatura objetivo de la medida lTh1 e independiente de las temperaturas interferentes:

ΔT = αΔV +α ΔV + ++ α ΔV

h1 1s1 2s2 m sm

dïnde lVsi son los valores que se obtienen a la salida del sensor activando ïnicamente cada uno de sus m dispositivos de medida de temperatura, y ai son coeficientes que dependen de los acoplos tïrmicos entre las fuentes interferentes y los m dispositivos del sensor y de la sensibilidad del sensor.

2. Un circuito electrïnico segïn la reivindicaciïn 1 puede ser de salida en modo tensiïn lVout o en modo corriente lIout .

3. Un circuito electrïnico que comprende un par diferencial formado por:

a) en una de las dos ramas de dicho par, un transistor bipolar encargado de aportar al circuito la dependencia de la salida del circuito respecto a una temperatura de referencia,

b) y en la otra rama del par diferencial, no otro ïnico transistor sino m transistores bipolares en paralelo y situados adecuadamente en la superficie del cristal semiconductor.

Y caracterizado porque si m es 1 el circuito se comportarïa como un sensor de temperatura diferencial clïsico, y para valores de m mayores de 1 el circuito podrï eliminar m-1 variaciones de temperatura interferentes.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4