JSSC 2024第2期Power Management55nm

A 039-mm 2 Stacked Standard-CMOS Humidity Sensor Using a Charge-Redistribution C

本文提出了一种基于电荷重分配的高效CMOS湿度传感器，具有低误差和高性能。

55nm CMOS, 9.57 µW, ±0.8%RH误差, 197 aF电容分辨率, 0.094%RH湿度分辨率

CMOS湿度传感器电荷重分配相关电平移位堆叠设计标准CMOS工艺

▸创新点1：电荷重分配相关电平移位技术（CR-CLS）通过提升浮动逆变放大器（FIA）的开环增益至少13.5 dB，显著降低了闭环FIA增益误差，从而减少了CDC非线性和湿度误差，实现了±0.8%RH的高精度测量。

▸创新点2：堆叠湿度传感器设计通过在电路上方堆叠一对湿度传感器，不仅降低了成本，还将面积减少了一半，同时保持了标准CMOS工艺的兼容性，实现了高集成度和低成本。

▸创新点3：标准CMOS工艺集成使得整个湿度传感器系统无需额外工艺步骤，直接在55-nm CMOS工艺中实现，显著降低了制造成本和复杂度，同时保持了高性能（197 aF电容分辨率和0.094%RH湿度分辨率）。

▸创新点4：高能效设计通过优化电路结构和转换时间（0.04 ms），在仅消耗9.57 µW的功耗下实现了12.1位的有效位数（ENOB），显著提升了能效比（FoM w: 87 fJ/c.step）。

Abstract

This article reports an energy/area-efficient zoom capacitance-to-digital converter (CDC)-based CMOS humidity sensor. It achieves the best-in-class error of ±0.8%RH and better figure of merit (FoM w; 87 fJ/c.step) than the state-of-the-art humidity sensors due to the use of the two techniques described in the following: 1) a charge-redistribution correlated level- shifting (CR-CLS) floating inverter amplifier (FIA) is proposed to increase the conventional CLS-FIA open-loop gain by at least 13.5