特許 7224438 温度センサ装置、光センサ装置、これらの装置を含むモバイルコンピューティングデバイス、及び、これらの装置の使用法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-09

(45)【発行日】2023-02-17

(54)【発明の名称】温度センサ装置、光センサ装置、これらの装置を含むモバイルコンピューティングデバイス、及び、これらの装置の使用法

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/01 20060101AFI20230210BHJP

   G01J 1/44 20060101ALI20230210BHJP

【ＦＩ】

G01K7/01 C

G01J1/44 D

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021507523

(86)(22)【出願日】2019-08-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-12-09

(86)【国際出願番号】 EP2019072123

(87)【国際公開番号】W WO2020043527

(87)【国際公開日】2020-03-05

【審査請求日】2021-03-24

(31)【優先権主張番号】18191502.6

(32)【優先日】2018-08-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】520364750

【氏名又は名称】アムス インターナショナル エージー

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アデュスマリ、ラヴィ・クマール

【審査官】平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２３２１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１９２５９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ １／００－１９／００

Ｇ０１Ｊ １／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度センサ装置であって、
電流信号を受信するための入力端子（１１）と、前記入力端子に供給された電流に依存するカウント値（ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴ）を提供するための出力端子とを有する電流積分変調器（１０）と、
温度に依存する電流（ＩＰＴＡＴ）を生成すると共に、抵抗器（２２３）を有する感温素子（２０）と、
別の抵抗器（４０）と、
前記感温素子（２０）と前記別の抵抗器（４０）とを前記電流積分変調器（１０）の前記入力端子（１１）に交互に接続するための第１スイッチ（３１）及び第２スイッチ（３２）と、
を備え、
前記感温素子（２０）は、
第１経路及び第２経路を有するバンドギャップ回路（２２１，２２２，２２３）と、
増幅器（２３０）と、
カレントミラー（２５２，２５３）と、
を備え、
前記第１経路は、トランジスタ（２２１）及び抵抗器（２２３）を含み、
前記第２経路は、別のトランジスタ（２２２）を含み、
前記トランジスタ（２２１）と前記別のトランジスタ（２２２）は異なるサイズを有し、
前記増幅器（２３０）は、前記バンドギャップ回路の前記第１経路及び前記第２経路に接続され、
前記カレントミラー（２５２，２５３）は、前記電流積分変調器（１０）の前記入力端子（１１）に接続された出力経路（２５３）を有すると共に、前記増幅器（２３０）の出力により制御される、
温度センサ装置。

【請求項2】

前記抵抗器（２２３）と前記別の抵抗器（４０）とが同一の抵抗を有する、請求項１に記載の温度センサ装置。

【請求項3】

前記抵抗器（２２３）と前記別の抵抗器（４０）とが同一の集積回路上に配置されている、請求項１又は２に記載の温度センサ装置。

【請求項4】

前記第１スイッチ（３１）は、前記感温素子（２０）と前記電流積分変調器の前記入力端子（１１）との間に接続され、
前記第２スイッチ（３２）は、前記別の抵抗器（４０）と前記電流積分変調器の前記入力端子（１１）との間に接続され、
前記第１スイッチ（３１）及び前記第２スイッチ（３２）が交互に導通するように制御されている、
請求項１～３のうちいずれか一項に記載の温度センサ装置。

【請求項5】

前記電流積分変調器（１０）の下流に接続されて、前記感温素子（２０）から前記電流積分変調器（１０）により生成されたカウント値（ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴ）と、前記別の抵抗器（４０）から前記電流積分変調器（１０）により生成された別のカウント値（ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴ）とに応じて前記温度を示す値（ＴＥＭＰ）を生成する計算機（６０）をさらに備える、
請求項１～４のうちいずれか一項に記載の温度センサ装置。

【請求項6】

前記感温素子（２０）は、温度に依存する電流（ＩＰＴＡＴ）を供給するトランジスタ（２５３）を備え、
前記トランジスタ（２５３）のドレイン－ソース経路と前記第１スイッチ（３１）との直列接続は、前記電流積分変調器の前記入力端子（１１）に接続され、
前記別の抵抗器（４０）と前記第２スイッチ（３２）との直列接続は、前記トランジスタ（２５３）の前記ドレイン－ソース経路と前記第１スイッチ（３１）との直列接続に並列に接続されている、
請求項１～５のうちいずれか一項に記載の温度センサ装置。

【請求項7】

前記感温素子（２０）の前記トランジスタ（２２１）及び前記別のトランジスタ（２２２）は、互いに接続されたベース端子及びコレクタ端子を有すると共に、異なる幅のコレクタを有し、
前記抵抗器（２２３）は、前記トランジスタ（２２１）のエミッタ端子に接続されており、
前記増幅器（２３０）は、前記第１スイッチ（３１）を介して前記電流積分変調器（１０）の前記入力端子（１１）に接続されたトランジスタ（２５３）を有する前記カレントミラー（２５２，２５３）を通る電流を制御し、
前記抵抗器（２２３）と前記別の抵抗器（４０）は、整合する抵抗値を有する、
請求項１～５のうちいずれか一項に記載の温度センサ装置。

【請求項8】

前記電流積分変調器（１０）は、
積分増幅器（ＯＰＡＭＰ）と、
前記積分増幅器に接続された積分コンデンサ（ＣＦ）と、
前記積分増幅器（ＯＰＡＭＰ）の下流に接続されたコンパレータ（ＣＯＭＰ）と、
前記コンパレータの下流に接続されたラッチ（１５）と、
前記ラッチの下流に接続されたカウンタ（１６）と、
前記ラッチ（１５）の出力信号（ＬＯＵＴ）に応じて制御信号（φ１，φ２，φ３，φ４，φ５）を生成するコントローラ（１７）と、
を含む、
請求項１～７のうちいずれか一項に記載の温度センサ装置。

【請求項9】

請求項８に記載の温度センサ装置と、
スイッチ（３３）を介して前記電流積分変調器（１０）の前記入力端子（１１）に接続されたフォトダイオード（５０）と、
を備えた光センサ装置であって、
前記電流積分変調器（１０）は、前記感温素子（２０）及び前記別の抵抗器（４０）のために生成されたカウント値（ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴ）に応じて前記積分増幅器(ＯＰＡＭＰ)のオフセット補償を実行するように構成されている、
光センサ装置。

【請求項10】

請求項９に記載の光センサ装置（２０３）と、
ディスプレイ画面（２０２）と、
を備えたモバイルコンピューティングデバイスであって、
前記光センサ装置は、周囲光を示す信号を供給するための出力端子を有し、
前記ディスプレイ画面（２０２）の輝度は、前記光センサ装置（２０３）により生成された前記周囲光を示す信号に依存して制御される、
モバイルコンピューティングデバイス。

【請求項11】

抵抗器（２２３）を含む感温素子（２０）を用いて温度に依存する電流を生成し（３０１）、電流積分変調プロセスを介してカウント値を決定する（３０２）ステップと、
別の抵抗器（４０）を介して別の電流を生成し（３０３）、別の電流積分変調プロセスを介して別のカウント値を決定する（３０４）ステップと、
前記カウント値及び前記別のカウント値から、温度を示す値を生成するステップと、
を含み、
前記感温素子（２０）は、バンドギャップ回路（２２１，２２２，２２３）及び増幅器（２３０）を用いて温度に依存する前記電流を生成し、
前記バンドギャップ回路（２２１，２２２，２２３）は、第１経路及び第２経路を有し、
前記第１経路は、トランジスタ（２２１）及び前記抵抗器（２２３）を含み、
前記第２経路は、別のトランジスタ（２２２）を含み、
前記トランジスタ（２２１）と前記別のトランジスタ（２２２）は異なるサイズを有し、
前記増幅器（２３０）は、前記バンドギャップ回路の前記第１経路及び前記第２経路に接続され、
前記増幅器（２３０）の出力は、電流積分変調器（１０）の入力端子（１１）に接続された出力経路（２５３）を有するカレントミラー（２５２，２５３）を制御する、温度を測定する方法。

【請求項12】

前記電流積分変調プロセスを実行するために積分増幅器を用いて請求項１１に記載の温度を測定する方法を実行するステップと、
前記測定された温度を用いて前記積分増幅器のオフセット補償（３０５）を実行するステップと、
フォトダイオードによる周囲光の受信に応じて光電流を生成し（３０６）、前記積分増幅器を用いた電流積分変調プロセスを通じて前記受信した周囲光を示すカウント値を決定する（３０７）ステップと、
を含む、周囲光を測定する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、温度センサ装置に関する。具体的には、本開示は、電流積分変調器と、温度に依存する電流(current dependent on temperature)を生成するための感温素子とを含む温度センサ装置に関する。また、本開示は、温度センサ装置と、測定されるべき光電流を生成するためのフォトダイオードとを含む光センサ装置にも関する。また、本開示は、光センサ装置を含むモバイルコンピューティングデバイスにも関する。本開示は、さらに、温度を測定する方法と、温度を測定する方法を含む周囲光を測定する方法と、にも関する。

【背景技術】

【0002】

温度センサは、温度を測定し、測定された温度に応じて装置の動作を制御するために、電子機器において広く使用されている。温度センサは、温度に依存する信号を生成し、この信号は温度の変動により変化し、例えば温度依存電流(temperature-dependent current)である。温度依存電流は、絶対温度に比例する電流（ＩＰＴＡＴ）であり得る。温度依存電流はデジタル信号に変換され、このデジタル信号は、さらに、電子デバイスを制御するために用いられ、若しくはデバイスから出力されて表示され、又は、他の装置を制御するために利用され得る。電流－デジタル変換は、電流積分変調プロセスを実行するアナログ－デジタル変調器により実行され得る。温度測定を、他の物理的実体（例えば周囲光）の測定と組み合わせ、それにより、同一の電流積分変調器回路を共有できる。周囲光・温度組み合わせセンサが、特許文献１に記載されている。

【0003】

電流積分変調器と、ＩＰＴＡＴ温度依存電流源とを使用した温度測定は、十分な精度を多くの技術用途に提供し得る。しかし、ＩＰＴＡＴのための製造プロセスは、固有のプロセス変動を伴うため、製造された温度センサ装置に実質的な較正プロセスが必要な場合があり、或いは、測定された温度値に正確性が欠ける場合がある。さらに、温度測定回路の動作温度が追加の変動をもたらして、その補償が困難な場合もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】米国特許第９１４６１６２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示の目的は、上述の欠点を回避する温度センサ装置を提供することである。

【0006】

本開示の別の目的は、温度をより正確に測定する温度センサ装置を提供することである。

【0007】

本開示のさらに別の目的は、温度の正確な測定を比較的低コストで可能にする温度センサ装置を提供することである。

【0008】

本開示のさらに別の目的は、より正確に動作する光センサ装置を提供することである。

【0009】

本開示のさらに別の目的は、光センサ装置及び温度センサ装置を組み込んだモバイルコンピューティングデバイスを提供することである。

【0010】

本開示のさらに別の目的は、温度センサ装置及び光センサ装置を動作させる方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示によれば、上述の目的のうちの１以上が、本発明の請求項１の特徴による温度センサ装置により達成される。

【0012】

本実施形態によれば、温度センサ装置が電流積分変調器を備え、当該電流積分変調器は、入力電流を受け取る入力端子と、当該入力端子に供給される前記入力電流に依存するカウント値を提供する出力端子とを有する。前記電流積分変調器は、積分変調プロセスを用いてアナログ電流をデジタル信号に変換するアナログ－デジタル変換を行う。前記電流積分変調器は、前記入力電流を積分コンデンサ上に積分する。前記コンデンサの電荷又は電圧が閾値をまたぐ場合、基準電荷が前記積分コンデンサから減算され、これがカウンタをトリガーする。前記積分動作は、予め決められた時間窓にわたって継続される。時間窓内で発生する減算イベント及びカウントイベントが、入力電流の量を示す。

【0013】

感温素子が、温度に依存する電流を生成し、温度の増大が電流の生成を増大させる。実際、前記電流は絶対温度に比例し得、又はほぼ比例し得る。前記感温素子は、前記電流を決定する電子部品、例えばトランジスタ及び少なくとも１つの抵抗器を含み得る。

【0014】

本開示によれば、別の抵抗器が設けられる。対応する第１スイッチ及び第２スイッチが設けられ、これらのスイッチが、前記感温素子及び前記別の抵抗器を前記電流積分変調器の入力端子に接続する。前記スイッチは、前記感温素子及び前記別の抵抗器のうちの一方のみが電流を前記変調器の入力端子に供給することを決定する。前記第１スイッチ及び前記第２スイッチは、前記感温素子からの電流又は前記別の抵抗器からの電流のいずれかが前記電流積分変調器の前記入力端子に入力されるように交互に動作する。

【0015】

従来の温度センサ装置においては、感温素子の抵抗値が製造プロセスの変動の影響をうけることが分かっている。実際、半導体回路の製造において、正確な絶対抵抗値を有する抵抗器を製造することは困難である。集積回路の製造中のプロセスの変動は、製造された抵抗器の抵抗値の変動の幅を比較的大きくする。同様の状況がコンデンサにも当てはまり、その結果、集積回路で使用される発振器（具体的には、半導体チップ上に配置されたＲＣ発振器の場合）の周波数にも当てはまる。さらに、集積回路内の部品のパラメータが温度ドリフトを示し、従って、その絶対値は温度変化と共に変化する。

【0016】

本開示によれば、前記温度センサ装置は、前記感温素子に設けられた抵抗器と、前記感温素子に対して並列に配置された別の抵抗器と、を含む。集積回路製造の原理によれば、整合する抵抗値を有する抵抗器を製造することは容易である。プロセスの変動により、抵抗器の絶対抵抗値は変化するが、抵抗値の相対的な関係はむしろ精密に制御され得る。従って、本開示による、同一集積回路内に実現された、又は同一集積回路上に配置された前記抵抗器と別の抵抗器との抵抗値の比は良好に制御され得る。本開示による前記装置は、前記抵抗器を含む前記感温素子からカウント値を決定し、前記別の抵抗器から別のカウント値を決定して、これらの両方のカウント値の比メトリック測定から、絶対温度を表すデジタル値を導出する。前記両方の抵抗器の温度挙動が、これらの抵抗器が同一集積回路上に配置されているため同一であるので、温度ドリフトもまた、比メトリック測定によりキャンセルされる。

【0017】

一実施形態によれば、好ましくは、前記感温素子の前記抵抗器と前記別の抵抗器とが同一の抵抗を有する。集積回路の製造中に回避不可能なプロセスの変動があっても、同一の抵抗を有する２つの抵抗器を生成することは比較的容易である。なぜなら、同一の製造ステップを用いて同一の製造プロセスで製造された場合、抵抗器の相対的整合（マッチング）が比較的良好であるからである。

【0018】

一実施形態によれば、前記感温素子の前記抵抗器と前記別の抵抗器とを同時に製造することが可能であり、従って、これらの抵抗器は同一の集積回路上に配置され、そして、同一製造プロセス中に製造されることによる、抵抗器の整合という利点を有する。概して、前記抵抗器と前記別の抵抗器との抵抗の比が既知である場合、これらの抵抗器を同一の集積回路上で製造するならば、異なる抵抗を有する抵抗器を使用することが可能であろう。同一の集積回路上で抵抗器を製造することは、前記抵抗器と前記別の抵抗器を同時に製造するために同一のプロセスステップを用いることを意味する。同一の集積回路上の異なる抵抗器の整合が比較的良好であるため、前記抵抗器の値の絶対的な変動の影響は、比メトリック測定中にキャンセルされる。前記抵抗器は、概して、抵抗値の任意の予め決められた関係を有することができ、これらは、同一の抵抗値、若しくは整数倍の抵抗値、又は、その他の任意の抵抗値の比（回路設計者が知っており、回路設計者が決定する）を含む。前記感温素子の前記抵抗器の抵抗値と前記別の抵抗器の抵抗値との比は、１：１、１：２、．．．、１：Ｎを含み得、Ｎは整数又は実数である。前記感温素子の前記抵抗器の抵抗値は、回路設計者の選択に従って、前記別の抵抗器の抵抗値よりも大きくても小さくてもよい。

【0019】

一実施形態によれば、前記感温素子は、第１スイッチを介して前記電流積分変調器の前記入力端子に接続され、前記別の抵抗器は、第２スイッチを介して前記電流積分変調器の前記入力端子に接続されている。前記第１スイッチと前記第２スイッチとは、交互に導通するように制御される。前記感温素子が前記電流積分変調器の前記入力端子に接続されている間、前記別の抵抗は前記電流積分変調器の前記入力端子との接続が絶たれ、その逆も同様である。前記電流積分変調器は、前記感温素子により供給される電流に関するカウント値と、前記別の抵抗器により供給される電流に関する別のカウント値とを得る。得られたこの２つのカウント値から、絶対温度を表すデジタル信号が導出される。前記感温素子が、前記別の抵抗器に整合した抵抗器を含むため、絶対抵抗値を変化させるようなプロセスの変動があっても、前記同一の集積回路上の前記抵抗器間の良好な相対的整合が可能であるため、プロセスの変動が最終的なデジタル温度値からキャンセルされる。

【0020】

一実施形態によれば、前記電流積分変調器の下流に計算機が接続されている。当該計算機は、前記感温素子及び前記別の抵抗器から前記電流積分変調器を介して生成されたそれぞれのカウント値から、温度を表す値を生成する。前記計算機は、前記電流積分変調器を含む前記温度センサ装置と同一の集積回路上に集積されていてもよい。また、前記計算機はマイクロプロセッサにより実現されてもよく、この場合、温度センサ及び変調器を組み込んだチップとは別個のものであってよい。前記計算機は、前記絶対温度を表すデジタル値を、比メトリック測定（絶対温度センサ及び前記別の抵抗器から変調結果のカウント値の比を引き出す）から決定する計算を実行し得る。一実施形態によれば、前記計算は、カウント値の比と温度との線形関係を仮定する線形回帰を含み得る。その他の二次又は高次の関係も有用であり得る。

【0021】

一実施形態によれば、前記感温素子は、少なくとも２つの回路経路を含むバンドギャップ回路を含み得て、これらの１つがトランジスタ及び前記抵抗器を含み、他方が別のトランジスタを含む。前記トランジスタは異なるサイズを有し得、具体的には、トランジスタが異なる電流を供給するように、異なるコレクタ幅を有し得る。サイズの違いは、実質的に、例えばＮ：１であり得、すなわち、前記抵抗器に接続された前記トランジスタのコレクタ幅がＮであり、前記別のトランジスタのコレクタ幅が１である。増幅器の入力が、前記バンドギャップデバイスの前記２つの回路経路に接続され、前記増幅器の出力が、前記電流積分変調器の前記入力に電流を供給するカレントミラー回路を制御する。当該カレントミラーの出力経路は前記電流積分変調器の前記入力端子に接続されている。バンドギャップデバイスと増幅器（バンドギャップデバイスの前記経路における異なる電圧からの電流を調整する）との組合せは、前記絶対温度にほぼ比例する電流を発生させ、すなわち、前記絶対温度に比例する電流（ＩＰＴＡＴ）デバイスである。

【0022】

一実施形態によれば、ＩＰＴＡＴ電流を発生する前記感温素子の前記出力経路は、ドレインソース経路を有するＭＯＳトランジスタを含み、前記ドレインソース経路は、前記電流積分変調器の前記入力端子に接続された前記第１スイッチに直列に接続されている。前記感温素子と並列に動作する前記別の抵抗器は、前記電流積分変調器の前記入力端子に接続された前記第２スイッチと直列接続を形成している。従って、前記ＭＯＳトランジスタと前記第１スイッチとの前記直列接続と、前記別の抵抗器と前記第２スイッチとの前記直列接続とは、互いに並列に接続されている。この並列接続が、前記電流積分変調器の前記入力端子と接地電位とに接続されている。前記別の抵抗器及び前記第２スイッチのための追加費用は、前記回路の残りの部分と比較すると、ほぼ無視できる程度である。集積回路での実現に必要な面積は、精度の向上に比べれば、非常に小さい。前記抵抗器及び対応する前記電流積分変調のプロセスにより消費される追加の動作電力はリーズナブルである。従って、前記比メトリック測定による精度の向上を、前記集積回路上のほぼ無視可能な小さい半導体面積で達成でき、また、前記別の抵抗器の電流の追加測定、及び、下流に接続された前記計算機のための消費電力は非常にリーズナブルである。

【0023】

一実施形態によれば、前記電流積分変調器は一次積分変調器であり得る。より高次の変調器も有用である。一次電流積分変調器は、積分増幅器と積分コンデンサとから構成され、当該積分コンデンサが、出力と前記積分増幅器の入力のうちの１つとを接続してアナログ積分器を形成する。コンパレータが前記積分増幅器の下流又は出力に接続されている。当該コンパレータは、前記積分器の出力を閾値電圧と比較する。前記コンパレータの出力が、前記コンパレータの下流に接続されたラッチを駆動する。このラッチは、決められた発振周波数（数メガルツの範囲内であり得、例えば２ＭＨｚ）で動作する。この発振周波数は、オンチップＲＣ発振器により提供される場合があり、その場合、前記発振周波数がプロセスの変動に応じて変化することがあり、また、温度ドリフトを示す場合がある。上述のような比メトリック測定を用いれば、発振周波数の変動がキャンセルされる。コントローラが、第１スイッチ及び第２スイッチ（前記感温素子と前記別の抵抗器とをそれぞれ前記モジュレータの入力に接続する）を含むモジュレータ内のスイッチを動作させるための複数の制御信号を生成する。前記コントローラはこの制御信号を、前記ラッチからの出力信号に応答して生成する。

【0024】

一実施形態によれば、前記温度センサ装置は、周囲光に依存する電流を生成するためのフォトダイオードを含む周囲光センサに使用され得る。前記周囲光に依存する電流は、前記温度センサ装置を動作させる前記電流積分変調器と同一の電流積分変調器に入力される。従って、周囲光と温度とを組み合わせた測定は、実質的に同一の素子、例えば、同一の電流積分変調器を使用する。本開示による正確な温度センサを、周囲光センサの集積回路上に有することにより、前記積分器の暗電流（前記変調器に光信号が入力されていないときに存在する）を生じさせる前記積分増幅器のオフセットを補償することが可能になる。動作において、前記積分増幅器の前記入力のオフセット較正又はオートゼロ化を実行するために、温度測定が周囲光測定よりも先に行われ得る。前記積分増幅器のオフセット電圧は温度に依存するため、正確な温度測定を行うことにより、オフセット補償を改善でき、また、積分増幅器のオートゼロ化を改善できる。実際に、温度測定が、オートゼロ化プロセス及び周囲光測定の各サイクルよりも先に行われる。本開示による温度センサ回路と周囲光センサ回路との組合せは、正確なオートゼロ化手順による正確な温度測定及び正確な周囲光測定を集積回路上に追加の実現スペースを必要とせずに提供し、また、追加の消費電力も非常に僅かである。

【0025】

一実施形態によれば、温度センサを含む周囲光センサの応用分野は、モバイル通信デバイス（例えばスマートフォン及びタブレットコンピュータ）を含むモバイルコンピューティングの分野である。本開示による前記光センサ装置は、モバイル通信デバイスに含まれて周囲光を測定し、コンピューティングデバイス（例えばスマートフォン及びタブレットコンピュータ）のディスプレイ画面の輝度を制御し、それにより、ユーザにディスプレイの便利な外観を提供する。測定された周囲光量が多い場合には、前記モバイルコンピューティングデバイスのディスプレイ画面の輝度を増大させ、測定された周囲光量が少ない場合には、前記ディスプレイ画面の輝度を減少させる。これにより、ユーザにとっての前記デバイスの使い易さが、上述のように非常に僅かな追加費用のみで向上する。

【0026】

前記目的の１以上が、請求項１２及び１３のそれぞれの特徴に従って温度を測定する方法又は周囲光を測定する方法によっても達成される。

【0027】

一実施形態によれば、温度を測定する方法は、温度に依存する電流を、抵抗器を用いて生成して、カウント値を、電流積分変調プロセスを介して決定するステップを含む。別の電流が別の抵抗器を介して生成されて、別の電流積分変調プロセスを介して別のカウント値を決定する。これらの生成されたカウント値を用いて、温度を示す値を決定する。

【0028】

一実施形態によれば、前記温度測定プロセスは、前記積分増幅器を用いた電流積分変調プロセスにより実行される。前記積分増幅器は、フォトダイオードに光が存在しないときに前記積分器を通る暗電流を生じさせるオフセットを本質的に有する。前記積分増幅器のオフセット補償は、温度測定を用いて行われる。そして、光電流が、フォトダイオードにより受光された周囲光に応答して生成され、前記電流積分変調プロセスに、正確な温度測定を用いてオフセット補償された積分増幅器を用いて入力される。前記電流積分変調プロセスにおいて、前記正確な温度測定に基づくオフセット補償が強化されているため、受光した周囲光を表す、精度が向上したカウント値が生成される。

【0029】

上述の概略的な説明及び以下の詳細な説明は、いずれも例示的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載の特性及び特徴を理解するための概要又はフレームワークの提供を意図していることが理解されよう。さらなる理解を提供するために、添付図面が含まれ、上記の説明に組み込まれ、その一部を構成している。図面は１以上の実施形態を例示しており、上記の説明と共に様々な実施形態の原理及び動作を説明するのに役立つ。

【0030】

図面の異なる図における同一の要素は、同一参照符号により示す。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本開示の原理による、温度センサと周囲光センサとを組み合わせた装置の詳細な回路図である。

【図2】図１の回路を含むモバイルコンピューティングデバイスのブロック図である。

【図3】温度を測定する方法を含む周囲光測定方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

ここで、本開示を、本開示の実施形態を示す添付図面を参照して、以下に、より詳細に説明する。しかし、本開示は、多くの異なる形態で具現化されることができ、本明細書に記載する実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。図面は必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、本開示を明確に例示するように構成されている。

【0033】

図１に示されている、周囲光センサ（ＡＬＳ）と温度センサとを組み合わせた装置が、電流積分変調器１０、温度センサ装置２０、抵抗器４０及びフォトダイオード５０を含む。電流積分変調器１０は、積分されるべき電流が供給される入力端子１１を含む。端子１１は演算増幅器（オペアンプ）ＯＰＡＭＰの入力に接続されている。増幅器（アンプ）ＯＰＡＭＰは積分器として構成されており、これは、積分コンデンサＣＦが増幅器ＯＰＡＭＰの負の入力「－」と増幅器ＯＰＡＭＰの出力端子１２との間に接続されることによる。増幅器ＯＰＡＭＰの負の入力端子は、積分器の加算ノード１３に存在する積分電圧Ｖｆｏｒｃｅを運ぶ。増幅器ＯＰＡＭＰの正の入力「＋」には基準電圧ＶＣＭが供給される。増幅器ＯＰＡＭＰの出力１３は、積分コンデンサＣＦを駆動して、Ｖｆｏｒｃｅ＝ＶＣＭ＋／－Ｖｏｆｆｓｅｔを達成する。この式において、Ｖｏｆｆｓｅｔは、演算増幅器ＯＰＡＭＰのオフセット電圧である。

【0034】

演算増幅器ＯＰＡＭＰの出力端子１２はコンパレータＣＯＭＰの正の入力「＋」に接続されている。コンパレータＣＯＭＰの基準入力又は負の入力「－」に基準電圧ＶＲＥＦが供給される。コンパレータＣＯＭＰの出力１４はラッチ１５のデータ入力であり、このデータ入力はクロック信号ＣＬＫ１により制御される。クロック信号は、約２ＭＨｚの発振周波数を有するＲＣ発振器によりチップ上で生成され得る。ラッチ１５の出力Ｑは信号ＬＯＵＴを運び、カウンタ１６のクロック入力Ｃｌｋを制御する。

【0035】

また、ラッチ出力信号ＬＯＵＴはコントローラ１７にも供給される。コントローラ１７は制御信号を生成し、この制御信号は、対応する制御ロジック及び回路を含む変調器１０を動作させて、回路で使用される複数のクロックΦ１，Φ２，Φ３，Φ４，Φ５を生成するためのものである。

【0036】

入力ノード１１は、さらに基準コンデンサＣＲＥＦに接続され、基準コンデンサＣＲＥＦに基準電圧ＶＲＥＦが印加される。デバイスの動作中、基準コンデンサＣＲＥＦに接続されたスイッチが、演算増幅器ＯＰＡＭＰの出力信号ＯＰＯＵＴがコンパレータＣＯＭＰでの閾値ＶＲＥＦを超えた場合に基準電荷が積分コンデンサＣＦから減算されるように制御される。積分コンデンサＣＦから減算された基準コンデンサＣＲＥＦからの基準電荷パッケージの数は、予め決められた積分時間窓の間にカウンタ１６でカウントされ、カウンタ１６の出力１８にてカウント値ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴとして供給される。カウント値ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴは、入力１１に供給された電流の量を表す。

【0037】

温度センサ装置２０は、絶対温度に比例した電流ＩＰＴＡＴを端子２１に供給する。端子２１は、変調器１０の入力端子１１に、制御信号Φ４により制御されるスイッチ３１を介して接続されている。温度センサ装置２０は、ダイオードデバイスとして接続された２つのバイポーラＰＮＰトランジスタ２２１，２２２から構成されたバンドギャップデバイスを含み、トランジスタ２２１，２２２は、それらのコレクタ端子及びベース端子が互いに接続されている。トランジスタサイズの関係、例えば、トランジスタ２２１，２２２のコレクタ幅の関係はＮ：１であり、すなわち、トランジスタ２２１はトランジスタ２２２の電流のＮ倍の電流を駆動する。トランジスタ２２１のエミッタは抵抗器２２３に接続されている。抵抗器２２２のエミッタ経路は抵抗器を含まない。トランジスタ２２１，２２２及び抵抗器２２３がバンドギャップデバイスを形成している。

【0038】

温度センサ２０は増幅器２３０を含み、増幅器２３０の入力が、抵抗器２２３と、トランジスタ２２２のコレクタとに接続されている。増幅器２３０は、バイポーラトランジスタ２２１，２２２の回路経路に接続されているＰＭＯＳトランジスタ２４１，２４２を制御する。さらに、増幅器２３０の出力が、カレントミラー２５２，２５３を介してミラーリングされた電流を温度センサ回路２０の出力２１に供給するトランジスタ２５１を制御する。基本的に、増幅器２３０は出力電圧Ｖ_{Ｂｉａｓ１}を発生する。出力電圧Ｖ_{Ｂｉａｓ１}は、トランジスタ２５１を通る電流を制御し、この電流は、トランジスタ２５２を介して、カレントミラーの出力経路を形成しているトランジスタ２５３にミラーリングされる。トランジスタ２５３のドレイン－ソース経路は、周囲温度に比例した電流ＩＰＴＡＴを端子２１に供給する。動作中、制御信号Φ４がアクティブであるとき、電流ＩＰＴＡＴが電流積分変調器１０の入力１１に供給され、これにより、変調器１０が、端子１１に供給される電流の量を表すカウント値ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴを生成する。

【0039】

温度依存電流ＩＰＴＡＴの測定後、スイッチ３１が開かれ、そして、制御信号Φ３を介してスイッチ３２が閉じられ、これにより、抵抗器４０を通る電流が測定され、それにより、抵抗器４０を通る電流のための別のカウント値ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴを提供する。抵抗器２２３と抵抗器４０とが、これらの抵抗値が整合（マッチ）するように製造されていることに留意されたい。例えば、抵抗器２２３と抵抗器４０とは、同一の抵抗値Ｒを有し得る。これは、抵抗器２２３と抵抗器４０とが、同一のプロセスステップを用いて同一の製造プロセスで製造され、同一の集積回路チップ上に配置されることにおいて達成される。半導体回路製造分野の当業者には明らかなように、別々のオーム抵抗器間の予め決められた整合係数（マッチングファクタ）が容易に達成され得る。実際、抵抗器２２３と抵抗器４０とは同一の抵抗値Ｒを有し得る。また、抵抗器２２３と抵抗器４０とを、これらが既知の抵抗値の比を有するように製造することも有用である。抵抗器２２３と抵抗器４０との抵抗値の比は、Ｎ：１、．．．、１：１、１：２、．．．、１：Ｎ（Ｎは整数又は実数）であり得る。抵抗器２２３と抵抗器４０とが同一チップ上に集積されている場合、比は、回路の製造中の適切に制御可能なパラメータである。

【0040】

図１に示されている回路は２つの測定を実行する。第１の測定は電流ＩＰＴＡＴに基づいており、対応するカウント値ＡＤＣ＿ＣＯＵＮＴはＣ_{ＩＰＴＡＴ}である。別の第２の測定は抵抗器４０に基づいており、同一の変調器１０を使用し、対応するカウント値Ｃ_ＩＲを生成する。これらの２つのカウント値の比により、回路内で使用される素子のプロセス変動及び温度ドリフトにより生じ得る絶対値（具体的には、抵抗器２２３と抵抗器４０の抵抗値）の誤差がいずれも排除され、キャンセルされる。また、関連するコンデンサ（例えば、ＣＲＥＦ及びＣＦ）の容量値と、動作クロック信号ＣＬＫ１との変動もキャンセルされる。Ｃ_{ＩＰＴＡＴ}及びＣ_ＩＲのカウント値は、以下の計算で表され得る。すなわち、

【数1】

式中、ΔＶＢＥ＝Ｖ_ＢＥ１－Ｖ_ＢＥ２であり、Ｖ_ＢＥ１は、トランジスタ２２２のベース－エミッタ電圧であり、Ｖ_ＢＥ１は、トランジスタ２２１のベース－エミッタ電圧であり、Ｒは抵抗器２２３の抵抗値である。

【0041】

入力電流がＩＰＴＡＴのときの変調器カウント（Ｃ_{ＩＰＴＡＴ}）は、以下の式により与えられる。すなわち、

【数2】

【数3】

入力電流が抵抗電流（ＩＲ）のときの変調器カウント（Ｃ_ＩＲ）は、以下の式により与えられる。すなわち、

【数4】

【数5】

パラメータＡｔｉｍｅは積分時間窓を表し、且つ、クロック信号ＣＬＫ１（例えば、２ＭＨｚの信号）に関連している。温度は、比メトリック計算Ｃ_{ＩＰＴＡＴ}／Ｃ_ＩＲから、式（３）及び（５）を用いた線形関係により計算され得る。すなわち、

【数6】

【数7】

式（７）は、この場合、線形関係である。その他の高次（２次、３次など）の関係も有用であり得る。温度範囲が－４０℃～８０℃の間の場合のＣ_{ｒａｔｉｏ}をもたらす電流値Ｃ_{ＩＰＴＡＴ}及びＣ_ＩＲのシミュレーションを、以下の表１及び表２に示す。

【0042】

【表1】

【表2】

【0043】

シミュレーション結果は、温度センサ２０及び追加の抵抗器４０を含む図１の回路を使用すると温度がどれだけ変化するかを示している。計算は、典型的な状況、最低の電力状況、及び最低の速度状況を示している。式（６）の比メトリック計算に対する温度が、式（７）による線形挙動を示すとみなすと、全ての温度サンプルに対して同一の勾配を適用でき、切片が計算される。シミュレーションにより、温度の誤差が－１．６１℃～１．５１℃であり、従って温度測定が非常に正確であることが実証されている。

【0044】

再び図１に戻ると、カウンタ１６の出力に接続された計算機６０が設けられている。計算機６０は、式（７）に従って計算を実行し、図１の回路により測定された温度を表すデジタル値ＴＥＭＰを生成する。

【0045】

図１の回路は、さらに、フォトダイオード５０に入射する周囲光を測定するために使用され得る。フォトダイオード５０は光電流ＩＰＤを生成し、光電流ＩＰＤは、制御信号Φ５がアクティブであり、且つ、対応するスイッチ３３を閉じるときに、電流積分変調器１０の入力端子１１に供給される。光電流ＩＰＤは、温度測定を行う電流積分変調器１０と同一の電流積分変調器１０により積分される。正確な光測定を行うためには、ダイオード５０に入射する光が全く存在しないときの、演算増幅器ＯＰＡＭＰにおける暗電流を補償しなければならない。このオフセット補償により、オフセットトリム値ＯＳＴＲＩＭ［８：０］が生成されて、補正値として演算増幅器ＯＰＡＭＰに送信される。オフセットトリム値はデバイスの温度に依存するため、温度センサ装置２０及び追加の抵抗器４０により提供される正確な比メトリック温度測定がオフセット補償プロセスに送信され、これにより、オフセット補償値ＯＳＴＲＩＭ［８：０］を生成するためのオートゼロ化プロセスの精度が高められる。

【0046】

図２は、図１に示した温度センサと周囲光センサとの組合せの技術的応用を示している。図２は、タブレットコンピュータ又はスマートフォンなどのモバイルコンピューティングデバイス２０１を示している。デバイス２０１は、プロセッサ２０４により生成された情報を表示するディスプレイ画面２０２を含む。温度・周囲光組み合わせセンサ２０３が、デバイス２０３の周囲光検知機能２０６に応答して、ディスプレイ２０２の輝度を制御する。デバイス２０３の温度検知（感温）機能２０５は、周囲光センサ変調器内の積分増幅器のオートゼロ化プロセスを行い、それにより暗電流を補償して正確なオフセット補償を得るために用いられる。

【0047】

図３は、図１の感温素子と周囲光検知デバイスとの組合せを動作させる方法のプロセス図を示す。ステップ３０１により、温度に依存する電流（例えば絶対温度に比例する電流）ＩＰＴＡＴが生成される。温度に依存する電流を表す対応するカウント値Ｃ_{ＩＰＴＡＴ}が生成される（ステップ３０２）。次に、抵抗器４０を介して電流が生成されて（ステップ３０３）、対応するカウント値Ｃ_ＩＲを生成する（ステップ３０４）。このカウント値が、正確な温度をオフセット補償プロセスに提供するために使用される（ステップ３０５）。オフセット補償が、演算増幅器ＯＰＡＭＰのオフセット誤差を補償するためのオフセットトリム値ＯＳＴＲＩＭ［８：０］を生成する。次に、光電流がフォトダイオード５０に発生する（ステップ３０６）。この光電流は、電流積分変調器１０により測定され（ステップ３０７）、周囲光の測定は、温度の測定が正確であることによりオフセット補償が正確であるため、比較的正確である。

【0048】

当業者には、添付の特許請求の範囲に記載する本開示の精神又は範囲から逸脱せずに、様々な改変及び変更が行われる得ることが明らかであろう。本開示の精神及び実質を組み込んだ開示された実施形態の修正、組合せ、部分組合せ及び変更は当業者に想起され得るため、本開示は、添付の特許請求の範囲内の全てを含むものと解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0049】

１０ 電流積算変調器
１１ 入力端子
１２ 演算増幅器の出力
１３ 積分電圧
１４ コンパレータの出力
１５ ラッチ
１６ カウンタ
１７ コントローラ
１８ カウンタの出力
２０ 感温素子
３１ スイッチ
３２ スイッチ
３３ スイッチ
４０ 別の抵抗器
５０ フォトダイオード
６０ 計算機
２０１ デバイス
２０２ ディスプレイ画面
２０３ 温度・周囲光組み合わせセンサ
２０４ プロセッサ
２０５ 温度検知機能
２０６ 周囲光検知機能
２２１ トランジスタ
２２２ トランジスタ
２２３ 抵抗器
２３０ 増幅器
Φ１ クロック

【図1】

【図2】

【図3】