Design and implementation of a 0.01 mm² current-mode temperature sensor in 22 nm FD-SOI with a sensing range of -40 °C to 125 °C and 6.3 nW at 0.8 V

Abstract

Dette arbeidet presenterer en temperatursensor implementert i en 22 nm Full- stendig Depletert Silikon på Isolator (FD-SOI) teknologi av GlobalFoundries. Arbeidet bygger på grunnarbeidet fra vårt tidligere prosjektarbeid i [1], som er basert på 65 nm Komplementær Metalloksidhalvleder (CMOS) temperatur sensoren i [2]. Dette arbeidet hadde som mål å gjøre forbedringer og endringer på grunnlaget som ble lagt i prosjektarbeidet [1]. Den foreslåtte temperatursensoren i dette arbeidet har blitt implementert i utlegg, da prosjektarbeidet kun implementerte designet i skjematikk. Den foreslåtte implementeringen av temperatursensoren består av et analogt og et digitalt system. Det analoge systemet består av de samme tre primære kret- sene som i [1] og [2]: En bias- og referansekrets, en slew-rate kontrollert relak- sjons oscillator, og en komparator. Det digitale systemet er implementert i dette arbeidet og består av fire primære digitale blokker: En analog-til-digital omformer (ADC), en pulsteller, en frekvensdeler, og en tilstandsmaskin (FSM). Det foreslåtte temperatursensorimplementeringen oppfyller spesifikasjonene både etter en- og to-punkts kalibrering. Temperatursensoren opererer i samsvar med spesifikasjonene innenfor hele temperaturområdet til transistor-modellene, og oppnår et område på -40 °C til 125 °C. I tillegg kan den operere med forsyn- ingspenningsnivåer som spenner ± 10% fra 0,8 V. Den foreslåtte sensoren tar opp et areal på 9,8 kμm2 og oppnår en gjennomsnittlig av-effekt på 3,6 nW. Sensoren oppnår en oppløsning på omtrent 0,5 °C med en konverteringstid på 9,6 μs og en samplingsfrekvens på 128 MHz. På grunn av systemets fleksibilitet kan høyere oppløsninger oppnås ved å bruke en høyere samplingsfrekvens eller lengre kon- verteringstid. Implementeringen av temperatursensoren oppnår unøyaktigheter innenfor ±2% etter både en- og to-punkts kalibrering. Dette oppnås med en konverteringstid på 9,6 μs og en samplingsfrekvens på 128 MHz. Den relative unøyaktigheten til sensoren er 1,87% for to-punkts kalibrering og 2,18% for en-punkts kalibrering. Unøyaktigheten har en topp-til-topp på -2 ~1,1 °C for to-punkts kalibrering og -2,4 ~2,2 °C for en-punkts kalibrering. Sensoren viser en 3σ på 1,71 °C på grunn av mismatch i området -40 °C til 125 °C. Mens støyindusert feil i systemet har en standardavvik på 2,06 °C ved 27 °C og 2,41 °C ved 125 °C.

This work presents a temperature sensor implemented in the 22 nm Fully De- pleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) technology by GlobalFoundries (GF). The work builds on the groundwork from our previous project work in [1], which is based on the 65 nm bulk Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) temperature sensor in [2]. This work aimed to make improvements and changes to the groundwork done in the project work [1]. The proposed temperature sensor of this work has been implemented in layout as the project work only implemented the design in schematic. The proposed temperature sensor implementation consists of an analog and a digital system. The analog system comprises the three same primary circuits as in [1] and [2]: A bias and reference circuit, a slew-rate controlled relaxation oscillator, and a comparator. The digital system has been implemented in this work and comprises of four primary digital blocks: An Analog-to-Digital Converter (ADC), a pulse counter, a clock divider, and a Finite-State Machine (FSM). The proposed temperature sensor implementation fulfills the specifications for both after a one- and two-point calibration. The temperature sensor operates according to specification within the full temperature range of the transistor mod- els, achieving a range of -40 °C to 125 °C. Additionally, it can operate with supply voltages spanning ±10% from 0.8 V. The proposed sensor occupies an area of 9.8 kμm2 and achieves an average off-power of 3.6 nW. The sensor achieves a resol- ution of about 0.5 °C with a 9.6 μs conversion time and a sampling clock of 128 MHz. Due to the flexibility of the system, higher resolutions can be achieved by using a higher sampling clock or a longer conversion time. A Resolution Figure of Merit (R-FoM) of 3.3 pJ · K2 was achieved with a 128 MHz clock and a resolu- tion of 0.048 °C. One conversion with this resolution used 1448 pJ and could be accomplished within a 55.4 μs conversion time. The temperature sensor implementation achieves inaccuracies within ±2% after both a one- and two-point calibration. This is achieved with a conversion time of 9.6 μs and a sampling clock of 128 MHz. The relative inaccuracy of the sensor is 1.87 % for two-point and 2.18 % for one-point calibration. The inaccuracy has a peak-to-peak error of -2 ~1.1 °C for two-point and -2.4 ~2.2 °C for one-point calibration. The sensor exhibits a 3σ of 1.71 °C due to mismatch in the range -40 °C to 125 °C. While noise-induced error to the system has a standard deviation of 2.06 °C at 27 °C and 2.41 °C at 125 °C.