数字体温计芯片设计

作     者：刘惩 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李冰

授予年度：2008年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 100208[医学-临床检验诊断学] 1002[医学-临床医学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 10[医学] 

主      题：数字体温计 电子体温计 模数转换器 体温测量 数字电路模块 热敏电阻 

摘      要：传统的水银体温计可能造成汞污染、等待时间长、读数不便、并且难以对人体体温进行连续的监测。相比之下电子体温计具有体积小、重量轻、使用方便、测量等待时间短、读数直观等优点。以往的电子体温计采用复杂的模拟电路实现，大都将反映温度变化的电阻值转化成电压或电流等模拟量，经线性电路放大、补偿等线性处理后，模/数转换器将该模拟信号转换成数字信号输出，这种方式对工作条件要求高，结果不易稳定且ASIC实现成本很高，给使用推广带来诸多不便。故而实用化的数字人体体温计是设计的目标。 本课题意在取代大量复杂的模拟模块，优化体温测量算法，通过较多的数字电路模块设计出满足功能和精度要求的数字体温计，简化电路结构，降低芯片成本。 本文总结了温度测量时经常采用的热敏电阻线性化方法。考虑到体温测量本身的特点(10℃的范围，0.1℃的精度要求)，基于线性插值法，提出了一种适合ASIC体温计芯片采用的温度测量算法，，解决了实现体温测量数字化必须面临的两个问题：1、把温度模拟量转化为热敏振荡器的频率，通过记录限定时间内的脉冲个数完成温度测量，实现数字化;2、采用脉冲调节模块，完成对热敏电阻值和温度之间的非线性校正。基于上华(CSMC)1.0μm MGLV CMOS标准工艺，采用全定制设计方法完成数字体温测量系统整个电路的设计。并按照工艺规则要求绘制了整个芯片的版图，优化了电路结构，减小了版图面积。 利用Spectre及Verilog-XL仿真工具对体温测量电路进行仿真测试，结果显示所设计的数字体温计测量电路在+32.0℃～+42.0℃(+90.0°F～+108.0°F)的温度范围内可以实现摄氏和华氏两种模式的测量，具有±0.1℃(±0.2°F)的精度。1.5V电源电压下系统平均电流仅为100μA，采用成本较低的单铝线金属栅芯片面积也只有500μm×450μm，整个电路呈现低功耗和高集成度的特点，具有一定的工程价值和商业开发价值。