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一种带数字转换和嵌入式2.5 GHz发射机和天线的毫米尺寸无线温度传感器

F. Zito, L. Fragomeni and F. G. Della Corte

摘要：片上天线的概念是集成无线的实际趋势传感器系统，因为它是一个实用的解决方案，紧凑，体积小和用于短距离无线应用的成本设备，如RFID标签和生物医学传感器数据发射器等相关应用。由于典型的小芯片尺寸，只有高频带可以使用这些天线的最佳，即谐振的条件。虽然芯片尺寸不允许谐振辐射元素，但这并不是具体的限制应用在非接触式感测中，短距离无线链路就足够了。本文对片上无线温度传感器进行了改进提供天线。该解决方案实现了0.35 lm CMOS技术，利用与绝对温度（PTAT）电压方案成比例，其中不同偏置电流密度下两个基极 - 发射极之间的差异不断测量。 CMOS技术中双极晶体管的可用性允许在温度传感器应用中利用它们的特性。信号是由铝材料实现的小环形天线结构传输沉积在芯片的顶表面上。

引言

无线传感器设备的可行性近来得到充分证明^[1，2]广泛使用不同的接口和传输标准等天线拓扑。与RFID技术的联系可以是将射频识别与测量相关联的实用且最低的解决方案产品，动物或动态变量数据采集人员的温度来自车载传感器。

这项研究起源于以前的工作，它涉及无线传感器具有用于短距离生物医学应用的片上天线。单循环在这种情况下使用天线^[3]，设备证明了实现的可能性片上天线。当RFID与感觉系统相结合时，其应用区域可以扩展到环境监测，如温度，湿度和压力感应。新的温度传感器利用与之成正比的方式绝对温度（PTAT）电压，这是两个基准之差不同偏置电流密度下的发射极电压。双极的可用性晶体管，采用CMOS技术，使我们能够利用它们在温度传感器应用中的性能。传感器的灵敏度，信号电平和线性度接口被特别调整，以便进一步简化模拟数字转换（ADC）。这个想法是将模拟信号，即PTAT电压，到N位数字信号，其中每个位可以调制射频（RF）使用例如由环形振荡器产生的载波，使用开关键控（OOK）调制。

温度传感原理

已经报道了温度传感器的许多实现，依赖于众所周知的双极器件的温度依赖性。考虑到CMOS技术，横向以及垂直衬底PNP晶体管都可以应用。该垂直衬底晶体管相对于特性IC（VBE，T）的非等效性具有更好的性能。PTAT温度传感器使用这种差异的现象两个双极元件的电压，它们具有不同的面积并且相同电流（即不同的电流密度）与绝对温度成正比（PTAT）。双极晶体管的基极 - 发射极电压，或更一般地，pn结二极管的正向电压呈现负温度系数（qVBE / qT和-1.5 mV /℃）。众所周知，如果两个不同的双极晶体管（即，用于CMOS技术的PNP衬底晶体管）以不相等的电流工作密度，则它们的基极 - 发射极之间的电压差与绝对温度成正比。

芯片设计

RFID传感器的电子设计已经被仔细调整以获得线性在宽温度范围内电压与温度的关系（房间温度至100℃）。转换成数字信号的电压是一个输出可用于驱动RF振荡器的流，如图1所示。 46.1。 RFID温度传感器包括四个主要方块：比例绝对温度（PTAT）电压发生器，模数转换器（ADC），具有8位的最大分辨率，数字处理电路和RF发射器。关于辐射元件的仿真已经在Ansoft进行了HFSS频率为2.4 GHz，用于调谐和获得其特性值（用于Cadence）。堆叠是指0.35 lm CMOS标准技术，由300mu;m厚的Si衬底（q =19XOmega;cm）和Al组成金属层在顶部。金属层之间的4mu;m氧化层（q =1010XOmega;cm）并且有损Si衬底作为绝缘。金属的典型尺寸截面积为20 9 1 lm2。芯片尺寸约为2.5 9 2.5 mm2。该检查天线结构，调查其诱发的行为的影响改变几何和技术参数。感应和辐射计算特征。应考虑两种损失来源：损失由于金属导电性（这些损失实际上被忽略）和损失底物体积。有损衬底降低辐射效率，取决于衬底材料的导电性。

实验结果

涡流在衬底中被感应为电流的影响天线。 感应电流导致辐射效率差。对比在空气和基板上的模拟，Rd的值基本上保持不变（约0.16 X），但更重要的是，Rloss值的增加是观察到（随着基板的引入，其从6.15变化到10.25X）。这意味着输入阻抗值Zin = 11？ j103，辐射效率值为1.5％，在存在基板时增益为-41 dB。该电场在短距离显示出反向的行为，如可以观察到的图46.2，报道了空气和底物存在的场。

该器件显示出宽的线性电压对温度依赖性温度范围：从室温到100℃，同时施加正和负温度斜坡（在图46.3中称为上下）。电压VPTAT-PS显示了温度随温度变化的线性关系灵敏度等于DVPTAT-PS / DT = 10.62mV /℃。温度过后电压转换，有必要用ADC数字化该信号。我们选择实现8位ADC，因此模拟输入电压将为在256个量化级别上进行转换。如果我们考虑20和之间的间隔图。 46.2电场与空中和距离环形天线基板图。 46.3测量PTAT电压与温度300 F.Zito et al。100？C，我们的范围约为80？C。这意味着模拟信号VPTAT-PS具有810 mV的摆幅，分辨率约为3 mV翻译成0.3？C的误差。器件的偏置电压为3.3 V，直流电流消耗较低在继续运行模式下，PTAT传感器约为70 lA。关于模拟数字转换和数字处理，动态功耗在耗散功率方面并不表示相当大的价值周期性地以非常长的时间间隔获取温度，例如在1 Hz以下。

结论

完全集成的无线温度传感器，利用片上天线短程应用，已经提出。 传感器提供电压对于PTAT，温度灵敏度为10.62 mV /℃，3.3 V偏置电压传感元件。 该传感器已实施在0.35 lm CMOS技术中。由于其尺寸，天线远离共振条件因此，他们的增益和辐射图尽管远不是最佳的，仍然足以启用短距离RF通信信道。

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