（微电子学与固体电子学专业论文）cmos兼容的风速传感器和系统电路的设计.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着c m o sm e m s 工艺的进步，人们努力尝试采用这种工艺来制作传感器，这 种传感器体积小、功耗低、灵敏度高、携带方便；而且可以批量生产降低成本。 因此，基于硅的风速传感器正成为研究的热点。同时，采用标准c m o st 艺，可 以将电路和传感器集成在同一芯片上，最终实现片上系统( s o c ) 。 本文提出的二维风速传感器是基于热原理设计的，可以同时测量风速和风 向，该结构是基于标准c m o s 工艺进行加工的。硅风速传感器的整个结构完全对 称，结构主要由加热单元和测温单元组成，加热单元采用多晶硅制作；测温单元 是由铝和多晶硅组成的热偶，它基于自产生效应，也就是说不需要电能将热信号 转化变成电信号。在控制电路中，通过测量加热条上的电压来反应风速的大小： 同时，可以通过测量两个垂直方向上对应热偶的输出差的比值可以得到风向的大 小。 本论文从理论上分析了热风速传感器的工作原理，并采用有限元工具 a n s y s 对传感器进行了细致的模拟，并从模拟结果分析比较了传感器的两种不同 的控制方式：恒温差控制方式和恒定功率控制方式，并且分析了传感器的输出特 性和几何尺寸的关系，给出了优化尺寸；同时分析二维传感器两个垂直方向输出 随风速的关系，提出了三角函数测量风向的局限性，介绍了圆形加热条风速传感 器。 传感器片上电路集成有控制电路和片上放大电路，本论文主要介绍给这些 电路提供基准电压的带隙基准电路。基于基准电路的温度补偿的原理，着重分析 了产生基准电压电路的工作原理，并通过h - s p i c e 软件对电路进行了仿真，优化 了电路。 本论文的风速传感器结构在标准的c l l o s 工艺上加工而成的。并对传感器进 行了全面的测试，整体的测试结果基本符合预期要求，实现了c m o s 兼容。 关键词： c m o sm e m s 工艺，二维风速传感器，热电偶，基准电压 兰州大学硕士学位论文籀要 a st h ei m p r o v e m e n to ft h ec m o sm e m sp r o c e s s ，p e o p l ea r ep u t t i n gm o r e e f f o r t so nt h es e n s o r so nc h i p ，w h i c hh a v et h ev i r t u eo fs m a l lv o l u m e ，l o wp o w e r , a n d h i g hs e n s i t i v i t y , c h e e p ，p o r t a b l e s ot h es t u d yo ft h ef l o ws e n s o rb a s e d0 1 1s i l i c o ni s b e c o m i n gm o r ep o p u l a r t h es t a n d a r dc m o sp r o c e s sm a k e si tp o s s i b l et h a ts a 越；o 璐 a n dt h e i rp r o c e s s i n gc i r c u i t sc a nb ef a b r i c a t e do nt h ec h i p ri sp o s s i b l et or e a l i z et h e 跏c a l l e as o c ( s y s t e mo nac h i p ) i nt h i sp a p e rak i n do ft w o - d i m e n s i o n a ls i l i c o nf l o w 螂t s o rb a s e dc m o sp r o c e s s i sg i v e n , w h i c hc a nm e a s u r ef l o wv e l o c i t ya n dd i r e c t i o ns i m u i t a n e o u s l y t h ew h o l e s t r u c t u r ei ss y m m e t r y t h eh e a t e rr e s i s t o r sm a d eo f p o l y - s i l i c o n t h e r m o p i l e sm a d eo f t w op a i r sa l u m i n u m p o l y - s i l i c o n a n di tc a nc o n v e r tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c et o e l e c t r i cs i g n a lw i t h o u te x t r ae l e c t r i ce n e r g y t h ev o l t a g eo nt h eh e a t e rr e s p o n d st o f l o w t h ed i r e c t i o nc a nb eg a i n e db yt h eo u t p u to ft h et w oo r t h o g o n a lp a i 塔o f t h e r m o p i l e s t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ef l o ws e n s o ri si n t r o d u c e df i r s t l y , t h ec o n s t a n tp o w e r a n dt h ec o n s t a n tt h e r m a lc o n t r o lm e t h o d sw e r es i m u l a t e db ya n s y ss e p a r a t e l y , a n d d e t a i l e da n a l y s i si sg i v e ni nt h er e s u l t s t h ei n f l u e n c eo ft h eg e o m e t r yo ft h ef l o w s e n s o ro l lt h ep e m c eo f 也es e b s o rw a ss i m u l a t e da n dt h eo p t 蛐e dg e o m e t r y w a sg i v e n a l s ot h es h o r t c o m i n go f t h et e s tm e t h o do f f l o wd i r e c t i o ni sp o i n t e do u t t h ep r o c e s sc i r c u i to i lc h i pi n c l u d e sac o n t r o l l i n gc i r c u i ta n do p a r a t i o n a l a m p l i f i e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e so f 也ev o l t a g eo fb a n d - g a p - r e f e r e n c e d t h ec i r c u i to fb a n d - g e p - r e f c r e n c e dw a ss i m u l a t e db yh - e p i c ea n dt h eo p t i m i z e d r e s u l t sw e r eg a i n e d t h ef l o ws e n s o rh a sb e e ni m p l e m e n t e db ys t a n d a r dc m o sp r o c e s s f i r m l yt h e s i l i c o nf l o ws e n s o rw a sm e a s t r e d t h er e s u l t sa g r e ew i t ht h ed e s i g nw e l l a n dt h e s e n s o rh a sg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c m o sm e m s ，t w o - d i m e m i o n a lw i n ds e n s o r , t h e r m o p i l e s ，v o l t a g eo f b a n d - g a p r e f e r e n c e d i i 创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盘红 日期： 枷7 上如 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盘红导师签名： 日 期倒矽 兰州大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 电子自动化产业的迅速发展和进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器 技术日趋活跃发展；而大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，为传 感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础。目前，许多国家都在研制各种传感 器来推动工农业的发展，硅流量风速传感器是其中一种。 人们的日常生活、动植物的生长、工农业的生产等都和自然界的风有很大的 关系。风速、风向的研究在工业领域已经发展很久了。很久以前，人们利用纯机 械的装置来测量。例如，众所周知的利用风速杯来测量风速，利用风向标来测量 风向；但这种风速计易磨损、体积较大、价格昂贵、需要经常维护。随着集成电 路技术的发展，人们利用成熟的c m o s 制造工艺及其新兴的m e m s 体加工工艺 来研制硅热流量传感器【1 , 2 1 。这种传感器体积小，功耗低，便于携带，相对于原 先的机械式风速计，硅风速传感器可以应用i c 工艺进行批量生产，成本非常低， 具有很大的优势，因此有非常好的市场前景。 本论文主要介绍基于c m o s 标准工艺和后端体加工的硅流量传感器的基本 工作原理以及提供基准电压的片上电路，并对传感器进行分析和测试。 1 1 课题背景 自从1 9 7 4 年v a np u t t e n 和m i d d l h o e k 采用标准的硅技术第一次成功研制了流 体传感器翻以后，硅流量传感器的发展非常迅速。 m i c h i g a n 大学的e y o o n l 4 1 等研究的多功能气体流速计( 如图1 1 ) 将流量、气 压、温度和气体性质的传感集成在同一块芯片上。每个传感部分均有相应的放大 电路。放大的信号经由模拟多路选择开关选择输出，每次只输出一个信号。芯片 电路和传感器的布局合理，将需要额外m e m s 加工的传感器集中在一起，使得背部 腐蚀更加方便。 目前，硅流量传感器大部分都采用热原理来制造，这是因为热流量传感器需 要的加热单元和测温单元可以用标准c m o s 工艺实现，热流量传感器主要有五 种控制方式【5 】： 兰州大学硕士学位论文 第一章引言 图1 1m i c h i g a n 大学集成多功能流量计 1 ) 恒定电压( c o n s t a n t v o l t a g e ，c v ) 方式：保持加热电阻两端的电压恒定； 2 ) 恒定电流( c o n s t a n tc u r r e n t ，c c ) 方式：保持流过加热电阻的电流恒定； 3 ) 恒定温度( c o n s t a n t t e m p e r a t u r e ，c t ) 方式：保持加热元件的温度恒定； 4 ) 恒定功率( c o n s t a n tp o w e r ，c p ) 方式：保持提供给加热器的功率恒定，这 种方式能够避免环境的温度漂移； 5 ) 恒定温差( c o n s t a n tt e m p e r a t u r ed i 插e l e n c e ，c t d ) 方式：用一个控制回路使 得加热元件的温度高于环境温度一个恒定值，这要求有一个在芯片外的 温度敏感元件，用于反映环境温度。所以它离芯片不能太远，而且要和 加热体隔离，实际运用的时候比较困难。 在近三十年的发展历程中，硅热流量传感器的工作原理主要有三种： 1 、热脉冲型1 6 1 ：测量脉冲在流体中的传输速度来反映流体的速度 2 、热损失型1 7 1 ：一般只含有一个单元，同时作为加热单元和测温单元。主要 原理是风速的大小和损失的热量成一定的函数关系此传感器测量范围 大，但不能感知风向。 3 、热温差型i s ：一般含有两个对称的测温单元和一个加热单元。当物体加热 表面被不一致冷却时，对称点的温度由测温单元测得，所测得的温度和 风速成一定的函数关系，同时温差正负反映风向的信息。此类传感器可 以感知风向，但风速有量程的限制。 由上分析可知，硅热流量传感器主要由加热单元和测温单元组成。其中测温 单元是比较重要的，我们可以按照敏感元件的基本原理来进行分类： l 、热阻类1 9 1 ：结构简单，易于通过绝缘层与衬底实现热绝缘。 兰州大学硕士学位论文 第一章引言 2 、二极管【l o 】：在恒定电流条件下具有良好的温度特性。 3 、热电偶l “t 1 2 1 3 】：一般用金属和多晶硅或者p 型多晶硅和n 型多晶硅构成。 它可以直接把温差转化成电信号。它基于自产生效应，使得这种敏感元 件具有许多其他敏感元件所不具有的优点，因此其应用最为广泛。本论 文中也是采用这种测温单元。 目前流量传感器一般采用传统的i c 工艺加m e m s 工艺，后道加工主要是 用来形成一层隔热膜，提高传感器的敏感度等性能。对于风速传感器而言，目前 风速传感器的发展趋势是采用c m o st 艺实现传感器和电路集成【1 4 l 。基于c m o s 工艺的风速传感器灵敏度相对比较低，我们可以通过片上集成的电路来弥补。将 传感器部分和c m o s 集成电路集成在同一个芯片上是近年来传感器的研究方向， 降低传感器和电路之间的相互影响达到传感器性能的优化是设计时需要解决的 问题1 3 , 1 4 1 。 传感器的封装对于传感器能否被最终广泛应用十分关键。一般传感器都是 暴露在测试环境中，而其中的信号处理电路则要与环境隔离。以避免影响电路的 性能，从而增大了封装的复杂性。而且，在系统设计传感器之处就要考虑封装对 传感器性能的影响。目前，风速传感器等m e m s 封装一般采用倒装焊1 1 5 l ，陶瓷版 封装【1 6 1 ，或采用双芯片封装，即传感器和电路分开封装的方式。 1 2 本论文的主要工作 本文主要是对二维风速传感器的设计和研制做一些研究，目的是设计一种 合理的二维风速传感器结构，并对其进行优化，并且设计了提供基准电压的片上 电路，同时进行测试和性能的分析。具体工作如下： 1 、研究二维风速传感器的工作原理，确定设计中传感器性能参数与具体几 何尺寸的关系，进一步优化传感器结构。 2 、分析当传感器在恒定温度和恒定功率两种不同的工作方式下的优缺点。 3 、结合工艺条件给出一种c m o s 风速传感器总体设计方案，确定具体尺寸 4 、设计片上电路的一个模块，即基准电压电路，并进行h - s p i c e 仿真。 5 、设计芯片基于标准c m o s 的工艺步骤。 6 、完成传感器的总体版图设计。 7 、对传感器芯片进行测试和分析。 兰州大学硕士学位论文第一章引言 本文首先介绍了课题的背景和意义，第二章主要对传感器的原理、结构进行 总结，第三章主要讨论传感器在两种不同控制方式下的优缺点并完成传感器的结 构设计和优化，第四章主要介绍基准电压电路、工作原理、h - s p i t 仿真，第五 章主要完成基于标准c m o s 工艺的传感器的工艺流程和版图设计，第六章主要完 成对传感器的测试和性能分析，最后一章得出结论。 1 3 本章小结 本章具体综述了硅热流量传感器的五种控制方式、三种工作原理和测温单元 的类型，并给出了本论文的主要工作以及论文的纲要。下一章主要介绍c m o s 兼容风速计的结构和工作原理。 4 兰州大学硬士学位论文第二章风速传痦器的工作原理 第二章风速传感器的工作原理 基于热原理的硅热流流量风速传感器通常都是采用对流体进行加热，通过测 温单元测量热源周围的温度场分布或者加热体的热量损失来反映风速的大小；其 工作原理都是基于流体力学中的边界层理论。深刻理解边界层理论能够设计出理 想的传感器。 2 1 风速传感器中的热量 热量的传递是自然界与工程技术中极普通的一种转移过程。自然界中的热量 传递有三种基本方式：热传导、对流换热和辐射换热。下面简单介绍一下这三种 换热方式【1 7 】 1 1 热传导 当物体内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分；而且不同温 度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称 为热传导。其传导规律即为著名的傅立叶定律，又称导熟基本定律。 舻九( 五一t 2 ) f d ( 2 1 ) 其中q 为传热量， 为导热系数，五，砭分别表示两个区域的温度，d 为两 个区域问的距离。 2 ) 对流 对流是指温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方 式。高温物体表面常常发生对流现象，这是因为高温表面附近的空气因受热而膨 胀，密度降低并向上流动：与此同时，密度较大的空气将下降并代替原来的受热 空气。我们一般用牛顿冷却公式来计算对流换热。 流体加热时 q = h ( t w 一弓) ( 2 - 2 ) 流体冷却时 o = h c ：r 一露) ( 2 3 ) 其中，巧和0 分别为壁面的温度和流体的温度。比例系数h 为对流换热系 数，它不仅和流体的物性和换热表面的形状与布置有关，还和流速有密切的关系。 3 ) 辐射 5 兰州大学硕士学位论文 第二章风速传感器的工作原理 热辐射是通过电磁波的方式传递能量的。辐射不需要物体之间的直接接触， 也不需要任何中间介质。 同一物体，温度不同时其辐射能力也不一样，温度相同的不同物体的热辐 射能力也不一样。同一温度下黑体的热辐射能力最强。 按照热力学第二定律，凡有温差的地方就有热量的传递。因此，在硅流量 风速传感器与周围环境之间也会有热量的传递。但在一般情况下，传感器芯片和 环境温差不是很大，所以在考虑传感器传热时可以忽略辐射对其的影响。 2 2 边界层理论 图2 1 风速计对流换热速度边界层和温度边界层示意图 从流体力学我们可以知道，流体运动基本上存在两种不同的形式，即层流 和紊流，以及介于两者之间的过渡流。 当流动的流体与平板表面接触后，由于粘性的作用，紧贴表面的流体速度 减到零；离开板面稍远一点的流体，由于贴壁流体的粘滞作用速度也有所减慢， 照这样一层一层的相互影响，但离开板面一定距离后，流体的流速就和原来的流 速基本一样了。在这一层内，流体的流动保持层流状态，称为层流边界层用6 ( x ) 表示。在层流边界层中，沿垂直方向的传热主要是热传导，是在对流条件下的导 热。由于邻层流体之间的相对滑动，且各层的滑动速度也不一样，所以层流边界 层中的温度分布不是直线型，而是抛物线型。 当流体和壁面之间存在温度差而有对流换热时，在垂直壁面方向且靠近壁 面附近的流体温度变化很大，离壁面较远的流体温度变化较小，这各薄层叫热边 界层4 ( x ) 流体边界层厚度反映流体分子动量扩散能力，与运动粘度v 有关；而热边 6 兰闸大学硕士学位论文 第二章风速传感器的工作原理 界层厚度4 ( z ) 反映了流体分子热量扩散的能力，和热扩散系数q 有关。所以6 ( x ) 4 ( x ) 与普朗特常数有关。普朗特常数： p r ：兰 ( 2 4 ) 我们可以推导出边界层的运动学方程式： 匕署+ b 雾一珥等- o ( 2 - 5 ) 我们可以通过上式来推导出流速和传热系数的关系： q * 名i a t 。o 名ir ejir(2-6) 上式即为热损失风速传感器的工作原理。 2 3 风速传感器的三种工作原理 硅风速传感器是基于热学原理，其工作机制是加热单元和流体之间的热交 换。我们对加热单元进行加热，当有流体通过时传感器表面被冷却，由边界层理 论可以知道表谣的冷却是不一致的。基于这种现象，可以将传感器分为热脉冲型 ( t i m eo ff l i g h ts e n s o r ) ，热损失型( a n e m o m e t e r ) 和热温差型( c a l o r i m e t r i c f l o ws e n s o r ) 。 2 3 1 热脉冲型风速传感器 通过在加热器上施加一个脉冲信号使其在对流流体中传播，测量出热脉冲到 达下游敏感元件所需要的时间at ，此时间即反映了流速的大小。由于热脉冲在 传播中受到热扩散和流速的影响，脉冲信号会变弱，因此这类传感器的流速范围 一般因不小于口1 ( 口为热扩散率) 。由于流速范围的限制，热脉冲传感器还没 有被广泛应用。 蟊摊流向 e a t e rt s e l l s 图2 2 热脉冲传递时间流量传感器示意图 兰州大学硕士学位论文 第二章风速传痘器的工作原理 2 3 2 热损失型风速传感器 传统的热损失型风速传感器是通过测量流体流过芯片时温度的变化，从而来 反映风速的大小。芯片上的加热单元一般采用热敏电阻，这样在恒功率控制下， 随着风速的增加，加热器上消耗的热量也会加快传递给风，因此加热器温度下降， 这样可以通过电阻阻值的变化来反映风速的大小。也可以采用恒温差控制模式， 但需要一个反馈环，通过测量保持恒温差所需要的功率来反映风速的变化。但这 种模型只能测量一个参数，所以热损失风速传感器只能测量风速，因此它的应用 有一定的限制性。 t 口* ，妇砌 图2 3 热损失风速传感器 热损失风速计整个传热量可以用k i n g 定律旧，即： q at=a+b,-5(2-7) 其中，q 为消散功率，a t 为芯片和环境温度差，a 表示热传导向流体和 传感器衬底传热，b u 表示对流传热。a 和b 由传感器的尺寸和流体性质决定。 从上式可以知道当温差一定时，即采用恒温差控制方式时风速和功率成正比关 系，即功率随风速的增加而增加，如下图。当功率一定时，即采用恒功率控制方 式时，风速和温差成反比，也即温差随风速的增加而下降，如图所示。 兰州大学硕士学位论文第二章风速传蓐器的工作原理 ( a )c o ) 图2 4 热损失风速计( a ) 恒温差控制( b ) 恒定功率控制 2 3 3 热温差型风速传感器 热温差型传感器的风速量程比较小，适合在小风速下测量。在一般情况下， 这种传感器中有一个加热单元，并且在加热单元周围对称分布测温单元。我们就 是通过测量流体通过加热体时，加热体附近温度场的变化，来测量流速的。但热 温差型传感器输出有一个极值：即随着风速的增加，输出会达到一个最大值；在 此后风速再增大，输出会随风速的增大而减小。在最大风速下，加热单元的热来 不及扩散，我们可以对热扩散时间和流体运动时间的对比来获得最大风速【1 9 l ，即： r工 再一 ( 2 8 ) 2 d ru 。 ” 其中，工表示加热条和测温点的距离，研表示热扩散率。 虽然热温差型传感器的输出有极值，但在无风时其输出为零，并且输出可以 表示风向，所以此种传感器正被广泛研究。 热温差型传感器发展到今天有一维、二维两种类型，一维的主要结构是中间 一个加热条，两边有两个对称的测温单元，如图所示；此结构简单可以测量的风 速范围也比较大，但不能测量风向。所以人们研究了二维传感器，既可以测量风 速也可以测量风向。 图2 5 一维热温差型流体传感器 9 一oh-工一等。看-o 兰州大学硕士学位论文 第二章风速传癣器的工作原理 二维风速传感器1 2 4 1 如下图，此结构是完全基于c m o s 工艺的，中间有四个 加热条，每个加热条的边上都分布了测温的热堆，该传感器可以和电路集成，并 且可以同时测量风速和风向。 幽2 6 二维可以铡量风速，风向传感器 当传感器表面无风，其温度对称分布，温度剃度为零；当有风吹过时，温度 分布不再对称，且随着风速的方向温差变大，即温差是风速的函数。我们通过热 偶来测量温度，热偶是由多晶硅和铝交叉连接形成的，当两种不同的材料连接在 一起时会产生s c c b c c k 效应( 赛贝克效应) 刚。 s c e b e c k 效应是指：两个不同的半导体连接在一点( p ) ，当半导体的两端存 在温度差t 时，则会在未连接一段产生电压v ，其公式可表示成：a v aa t ， a 为s e e b e c k 系数。 如图2 7 ，运用s e e b e c k 效应， 材料a 两端的电压差可以表示为 = ( 一) 材料b 两端的电压差可以表示为 = ( 一) 所以，= 帆一) ( 一) 所以，为提高传感器输出值，我们一般选择s e e b e c k 系数为正负的两种材料。 1 0 兰州大学硕士学位论文 第二章风速传痘器的工作原理 图2 7 赛贝克效应示意图 我们可以通过热偶的赛贝克效应在输出时通过电压来反映温差的变化，进而 来表示风速。可以得到风速和风向的表示式如下所示：【2 l j 。 如2 。= 警( 2 - 9 ) 0 = a , - c t a n c u , , , 【，0 ) = a r c t 觚( 瑗万r l ) ( 2 1 0 ) 二维风速传感器不只可以用c m o s 工艺来实现，也可以用m e m s 工艺来实 现，并且所制造的传感器的灵敏度和反映速度都比c m o s 要高，但其成本比较 高而且工艺兼容性相对比较差i m ，其传感器如图2 8 所示。 图2 8 基于m e m s 工艺的二维风速传感器 2 4 风向的测试原理 当传感器工作时，首先加热电阻会使传感器加热到一定温度( 高于环境温 度) ，在没有流体经过芯片表面时，因传感器对称分布其温差为零；当有风速( 假 设风速于x 轴成0 角) 时，流体会携带走一部份热量并在其表面形成一个较薄 的热边界层，传感器的温度也会呈一定的剃度分布；那么热温差型风速传感器的 输出可以反映风向的信息。对二维结构的风速传感器，通过测量互相垂直的方向 的温度差，可以得到风向。 从前面分析可以知，温度梯度的方向即为风向，对如下图2 9 ，存在 兰州大学硕士学位论文第二章风速传感器的工作原理 = 乃一瓦= a t c o s o( 2 - 1 1 ) a t = 乃一乏= a t s i n o ( 2 1 2 ) 其中，a t 为流体方向上在速度为u 时形成的温度差，该温度差正比于传感 器和流体的温度差矗和风速，八u ) 是风速的函数，由边界层理论以及瞄n g 理 论，最后可以推导得到： a t * 瓦可( 2 - 1 3 ) 所以，风向可以由下式得到 p = 一( 急 = 一( 籀 图2 9 二维风速传感器原理图 若热敏感元件由基于薄膜结构的热电堆所构成，根据热电偶的温差电动势效 应，有如下等式成立： 0 0 一3 6 0 0 = 圪一圪= n a , a t 面 ( 2 1 5 ) 其中n 为每组热电堆中热电偶的个数，因热电势很小所以我们用n 个串 连增加它的电压，吒为热电偶的s e e b e e k 系数。利用以上等式，进一步推导 可以得到测量风向的最终表达式 t m a t ，：孕( 2 1 6 ) 。 通过测量传感器的输出信号吃和并降其代入上式，求解可以得到风 向的夹角0 ，由此实现了o 一3 6 0 ( 如图2 1 0 ，其中d 点对应n 点其他以此类 兰： i i 大学硕士学位论文 第二章风速传感嚣的工作原理 推) 的二维全流量的测量。运用这种测试方法，可以用一个二维风速计同时 测量风速和风向，通过改变风向，单个对边的输出差值基本按正弦或余弦的 规律变化鲫。 缸 确一 。1 、) 厂 一了芦 7 k 、。 一 0 一一 ， 兮叭静 一歹o么 砷几 图2 1 0 电压差与角度的关系 2 5 传感器设计的性能指标 通过对热流量传感器基本原理的分析，结合二维风速计的项目要求，我们 的设计要求如下： 风速测量范围：0 2 0 米秒( 相当于九级风) 测量分辨率：o 5 米秒 风向测量范围：0 3 6 0 风向分辨率：5 。 风力名称陆地上地物特征 风速( 米，秒) 等级( 范围) o无风 静，烟直上。 0 o _ 0 2 1软风 烟能表示风向，树叶略有摇动。 0 3 一1 5 2轻风 人面感觉有风，树叶有微响。 1 6 喝3 3微风 树叶及小枝摇动不息。 3 4 - 一5 4 4和风 能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇。 5 5 7 9 5清风 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。 8 o - 一1 0 7 6强风 大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难。 1 0 8 1 3 8 7疾风 全树摇动，大树枝弯下，迎风行走不便。1 3 9 一1 7 1 8大风 可折毁小树枝，迎风行走感觉阻力很大。 1 7 2 2 0 7 9 烈风屋瓦被掀起，大树枝可折断。 2 0 8 2 4 4 l o狂风 树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏。 2 4 5 _ 一2 8 4 1 1暴风 大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏。 2 8 5 _ 一3 2 6 兰州大学硕士学位论文第= 章风速传瘤器的工作氨理 表1 风力等级和风速对换表 从表i 可以看出风速的测量范围完全符合日常生活的需要。当风速太大时 人们的日常行动都有困难。 2 6 本章小结 本章主要对传感器的工作原理进行了分析，尤其对温度热边界层和速度边 界层概念进行了仔细的分析，为下一章的设计提供了重要的理论基础。下一章我 们将对传感器的几何尺寸进行进一步的分析，并对结构进行优化。 1 4 兰，i i 大学硕士学位论文 第三章风速传感嚣的设计与分析 第三章风速传感器的设计与分析 传统硅热风速传感器由对称的加热条和对称的测温热堆组成，整个传感器结 构对称分布；对于要测量风向的传感器，一般都采用热温差的工作原理，许多学 校或单位都在研究基于该原理的传感器p 4 - 2 9 1 。 3 1 二维热流量传感器的设计 根据系统集成对传感器的要求，选择v l s i ( 超大规模集成电路) 主流工艺一 例0 s 工艺作为此传感器设计的技术基础。由为了设计出结构紧凑、工艺简单、 性能优良的硅热流量传感器，必须选择优化的电路、结构形式、衬底材料。 3 1 1 衬底材料的选择 硅材料也许是人类了解的最为深刻的材料，由于其对多种非电量都具有敏感 特性，因此是构成传感器的一种相当合适的材料刚。对于温度的测量，硅材料也 是较为理想的材料，硅温度传感器具有灵敏度高、体积小、响应速度快、成本低 和易于实现多功能化等优点p ”另外考虑到传感器的集成化，便于信号处理电路 的片上集成，因此选择硅材料作为传感器的衬底材料。 但是，由于硅的热传导率很大( 1 5 0 w i n - 1 k - 1 ) ，即硅是热的良导体。要想利 用硅材料制作热敏感材料，则会由于硅的优良热传导性导致整个传感器的灵敏度 降低、功耗加大、响应时间变长p ”。人们力图通过隔热槽或者硅的微机械加工技 术来减少这一缺陷】，但并不能达到预期的效果；因此逐渐开始有研究利用其它 的c m o s 工艺材料来研制流量传感器，并且随着m e m s 工艺的进步，现在工艺 可以采用前道的标准c m o s 工艺以及后道的m e m s 工艺，即对硅衬底进行掏空 降低它的热传导。 3 1 2 热敏感元件的设计 制作在硅衬底材料上的热敏感元件有很多种，其中应用较为广泛且性能优越 的主要有多晶硅电阻、二极管和热电偶。其中又以热电偶的性能最为优良p 4 l ，它 的工作原理主要是利用热电偶所具有的8 e e b e c k 效用。 利用c m o s 工艺所制作的热电偶有很多种，大致可分为体热电偶和薄膜热电 偶。体热电偶( 利用体硅材料制作的热电偶) 的s e e b e c k 系数很大，但是由于硅 兰州大学硕士学位论文 第三章风速传蓐器的设计与分析 的热传导系数同样很大，因此利用此材料所制作的温差型热流量传感器在工作时 其输出信号是很小的，不利于测量。薄膜热电偶是利用c m o s3 2 艺中的薄膜加工 技术制作而成的，这种薄膜材料的热传导率很低，这对于提高传感器的灵敏度和 响应时间都有很大的帮助。近年来所兴起的c m o sm e m s 技术为此薄膜热电偶的性 能提高又提供了一个很好的方法。利用此技术所制作的流量传感器，因为最终的 薄膜实现了悬浮结构，从而可以进一步降低传感器的功耗、提高其灵敏度和响应 时间。组成薄膜热电偶的材料也有很多，其中与c m o st 艺兼容的热电材料主要 有铝、p 型多晶硅和n 型多晶硅。多晶硅作为热电偶材料与金属所组成的热电偶 具有很高的s e e b e c k 系数。考虑到制作工艺的简单性，本文所设计的流量传感器 采用铝和多晶硅材料作为热敏感材料。另外铝的绝对s e e b e c k 系数为负值，要想 得到具有更大s e e b e c k 系数的热电偶因此要选择具有正值的绝对s e e b e c k 系数的 p 型多晶硅材料作为另一热电材料嘲。 3 。1 3 加热元件的设计 考虑到与硎0 s 工艺的兼容性以及薄膜制作的可行性，本文所设计的流量传 感器采用n 型多晶硅作为加热元件。另外考虑到测量范围为二维流量，因此将加 热电阻放置在传感器的中间位置，出于对称性考虑则选用了四个加热电阻。 3 1 4 布局设计 作为二维热温差型流量传感器，其布局应呈现对称结构。硅热流量传感器的 悬浮薄膜结构是利用c m o s 工艺后的体硅各向异性腐蚀技术达到的。 3 2 传感器的结构优化 热温差型风速传感器，输出是加热单元两端对称点的温度差，因此测温单元 和加热条的距离对传感嚣的灵敏度和量程都有很大的影响。如果加热条和测温单 元相距比较远，那么温差的变化对输出的影响比较小；如果两者相距比较近，因 加热单元和测温单元是直接耦合的，所以受风速的影响小，则导致传感器输出的 温度差比较小。所以我们要找到一个最优化的距离，可以得到最大的灵敏度和风 速的量程。 由于热风速传感器涉及的物理现象非常复杂。所以我们采用有限元工具 a n s y s f l 0 n “n 来辅助设计。 1 6 兰州大学硬士学位论文第三章风速信番器的设计与分斩 3 2 1 传感器的有限元模型 图3 1 一维热流量传感器示意图 该风速传感器的有限元结构如图3 1 所示，其中l 是两个热源之间的距 离，g a p = 4 m m ，是流体沟道宽度，d 为加热条和测温单元的距离d = 3 0 u r n ；因 为传感器的结构完全对称分布，所以在用a n s y s 分析时用一维代替二维建立热 学模型，在模拟时分别采用恒温差和恒定功率两种工作模式i 在采用恒温差时保 持加热条的温度3 1 0 k ，并假设入口气体温度等于芯片衬底温度等于2 7 3 k ；采用 恒定功率时，通过换算可以将功率转换成热源加在加热条上，其他条件和恒温差 一样。对该有限元的热分析，我们采用了a n s y s 中f l o t r a nc f d 的热一流体 耦合单元f l u i d l 4 1 ，建立二维固体和液体耦合模型，分析中，流体速度小于 2 0 m s ( 相当于气象学上的九级风) 。 因为在工艺设计时使用s i 衬底正向腐蚀的技术，这种方法能减少传感器的 热损失降低功耗，因此在建立热模型时可以考虑加在加热单元的能量几乎没有损 耗，即在做模拟时将热量全部加在加热条上。 3 2 2 传感器的两种控制方式 图3 2 恒温时风速大y - o 的温度分布图 如上所述风速传感器有两种控制方式，对两种不同的方式建立热学模型进行 模拟，观察传感器输出的变化。图3 2 、图3 3 是分别是恒温和恒功率用a n s y s 兰手h 大学硕士学位论文第三章风速传蓐器的设计与分折 模拟后风速不为o 的温度分布云图。 幽3 3 恒功率风速大于0 的温度分布图 从以上讨论，我们可以得到两种控制方式下测量风速大小的方法。在恒功 率下，通过测量加热条温度的大小来反映风速的大小。同样，在保持加热条温度 的恒定的条件下，随风速增大，所需要的功率也相应提高，因此功率大小反应风 速的大小，这种测量风速大小的方法，在风速范围内单调变化，且风速的可测量 程较大。从上两个图我们可以看出两种方法都可以测量，下面我们通过数据来比 较两者的优缺点。 3 2 。3 两种控制方式下温差和风速的关系 通过测量加热条对称两点的温差随风速的变化，可以同时测量风速和风 向。观察温差输出随风速大小的变化。该传感器模型中两个加热源之间的距离l 分别为6 4 u m ，1 2 8 u 以及3 2 0 u m ，流体沟道g a p 的尺寸不变，流体速度o - 2 0 m s ， 并在恒温差( c t d ) 和恒定功率( c p ) 两种情况下进行模拟。图3 。4 ，图3 5 分别 表示在恒功率和恒温两种控制下，距离加热条等距离的对称两点温差随风速的变 化趋势。 图3 。4 恒定功率控制下，温差随风速的变化。( l 表示不同的热源距离) 兰州大学硕士学位论文 第三章风速传感器的设计与分析 图3 5 恒温差控制下，温差随风速的变化。( l 表示不同的热源距离) 从图3 4 我们可以看到，在恒功率控制下，对固定的模型尺寸，都存在一个 速度量程v m a x ，在风速v v m a x 时，输出随v 的增加而减小；从该模型看到，风速量程在3 m s 左右；同 时，输出温差随风速灵敏度相对较小；但温度差的绝对值比较大。 从图3 5 在恒温差控制下，可以看到其风速量程较大，能超过2 0 m s 。而从 仿真结果看，热源的距离对传感器性能影响不大。 同时，我们比较恒功率和恒温差控制，很明显恒温差控制的量程比恒功率 要大很多，因此，恒温差控制能符合我们的测量要求；另外，在恒温差控制下， 其灵敏度也比功率要大。 因此，我们可以得出当加恒功率时风速量程小、绝对温差大、灵敏度小，而 加恒温差时风速量程大、绝对温差小，灵敏度大；从这三点比较用恒温差来控制 比较好。 从面积考虑，当采用恒温差控制时，由于加热单元距离不会影响传感器性能， 因此我们选择较小的温度单元的距离。 但从工艺方面来进行考虑，使用恒温差模式时，在工艺上需要两个测温元件 分别检测传感器和环境的温度，要求这两个测温元件的工艺一致性非常好，以具 有同样的温度系数，同时又要互相热隔离；要实现这个功能，必须在芯片中间放 置一个二极管作为芯片的测温元件，在片外放置一个同样工艺的二极管用作环境 温度检测，采用这种工作模式的传感器，能够防止温漂，工作范围较大，但缺点 是环境温度检测元件应该和加热的传感器既要靠近又要相互熟隔离，在工艺上相 兰州大学硕士学位论文第三章风速传巷器的设计与分析 互矛盾而较难实现，而且片外的二极管受环境温度影响，有很大的不稳定性。而 且，恒温差控制需要额外的控制电路，增加电路的难度。而采用恒定功率工作模 式可以直接利用热电偶测量芯片与环境温差，不需要额外的环境测温元件，能够 很好的解决恒温差工作模式的环境测温元件在工艺上的限制，从而大大简化电路 的设计。 所以在设计时可以根据测试、面积、工艺要求等不同要求来选择控制方式， 以达到最优化的结果。 3 2 4 热电偶和加热条距离对灵敏度的影响 从图3 4 ，3 5 可以看出当热电偶和加热条距离较近时，温度差随风速的增 大而迅速增大；当热电偶和加热条距离较远时，温度差随风速的增大而增大的趋 势缓慢，甚而出现下降。所以在设计时要考虑这一点，两者的距离不能太远。 3 3 风向测试 前面我们只考虑风向方向上的温度场，而没有考虑垂直于风向方向的温度 场。在本节中，我们考虑平行和垂直于风向方向的温度场的变化。 首先，考虑当风向和一组加热条对边平行而和另外一组垂直时的情况，风向 设为0 。这时，平行于风向方向上的温度场变化规律和前面一样，而垂直于风 向方向的温度场则始终对称，即该垂直风向方向的输出t 。恒为零，。按照前面 介绍的风向的铡试原理，自此可以得到的肭的大帕= 咖( 筹 。0 我们分析垂直的两个方向的输出温度差t 。和t 2 随风速的变化规律。在 一般风向下，采用三角函数的风向原理，即伊= 蝴( 筹) 但由于传感器风速 的测量存在一定的量程，当超过风速量程以后，t l 和t 2 的比值将随风速而变 化，这时，三角函数法测量风向不再适用。 3 4 基于热偶的二维风速传感器结构 通过以上分析，我们可以用模拟的方法来得到最优化的传感器尺寸。最终的 传感器结构如图3 6 所示。整个传感器芯片完全对称。芯片的中间是多晶硅加热 条组成的正方形结构，加热条长度为l = 6 0 1 _ m 1 。四周对称分布了由多晶硅和铝 兰卅大学硕士学位论文第三章风速传感器的设计与分析 形成的热堆，该热堆由3 0 个热偶串连组成，以提高输出灵敏度。加热条和热堆 的距离d = 3 0 u 。 图3 6 流体传感器芯片照片 3 5 本章小结 本章主要介绍了传感器的设计原理，并且通过对温度场的有限元模拟来优化 尺寸，并从模拟的数据上来分析传感器在两种工作模式下的优缺点。最后给出传 感器的结构和具体尺寸，下一章主要介绍片上电路。 2 1 兰州大学硕士学位论文 第四章风速传摩罂的电路设计 第四章风速传感器的电路设计 基于热原理的