（微电子学与固体电子学专业论文）cmos兼容风速风向传感器控制和检测电路的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 利用成熟的集成电路( i c ) c m o s 工艺及其新近发展的m e m s 工艺能够在硅片上 利用后处理制作各种机械结构，并为传感器和处理电路的片上集成，实现最终的片上系 统( s o c ) 提供了现实依据。 c m o s 兼容硅热流量风速风向传感器利用成熟的c m 0 s 工艺而实现传感器的低成 本，同时能够通过片上控制电路和微弱信号测量电路与传感器结构的集成而可能实现智 能化的传感器。基于硅的传感器灵敏度非常低，输出信号极其微弱，所有这些弱点都必 须通过片上集成电路来弥补。本文针对传感器的工作原理，详细分析并设计了传感器的 控制电路和传感器的微弱信号检测电路。 本文采用的传感器是本实验室设计的采用温差型的测量原理，采用某种控制，将传 感器表面加热，使之高于环境一定温度，通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生 的片上温差而得到风速和风向的信息。在控制电路设计中，主要讨论了三种模式，分别 是恒功率模式，恒温差模式和温度平衡模式，针对传感器的结构和性能要求进行了恒温 差控制电路的设计，在风速的测量范围内，通过闭环控制保持芯片温度高于环境温度设 定值。通过仿真电路能够实现设计的功能。 鉴于传感器采用热堆测量温差，输出信号为非常微弱的低频信号( 在微伏量级) ， 一般的c m o s 工艺放大器由于严重的失调和噪声( 特别是1 f 噪声) 而无法胜任，需要 设计片上低失调低噪声放大器，本文分析了现在两种主要的低失调低噪声电路技术( 分 别为自动补偿a u t o z e r o 和斩波c h o p p i n g ) 对失调和噪声的影响，具体针对传感器的 信号要求进行了斩波放大电路的调制，预放，带通选择放大器，电压跟随和解调等各个 部分的设计，电路使用h s p i c e 进行了仿真优化，达到了微伏量级的残余失调和 7 0 n 矿胁输入等效噪声p s d 。设计的电路经过5 a np 阱标准c m o s 工艺流片。流片 的电路进行了测试，并分析了存在的不足而改进了设计，进一步投入流水。 本文同时还使用p c b 构建版级控制和测量电路，传感器经过风洞测试，达到了 2 3 m s 的测量范围，并且3 6 0 度内方向敏感，进一步证明了控制和信号检测方案的可行 性。同时，芯片的流片也为实验室的片上电路集成进行了有益的探索，取得了宝贵的经 验。 关键词： c m o s 工艺兼容风速计，恒温差控制，低失调低噪声放大器，斩波放大器 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc m o si n t e g r a t e dc i r c u i t sp r o c e s s e sa n dt h en e w l yd e v e l o p e dm e m sp r o c e s s e s ，m a n y m e c h a n i c a 】s t r u c t a r e sc a nb em a d ei ns i l i c o ns u b s t r a t e s t h i sp r o d u c e dn e wf i e l d sf o rt h ed e s i g no ft h e s e n s o r s i ti sp o s s i b l et or e a l i z et h es o c a l l e ds o c ( s y s t e mo nac h i p ) b yi n t e g r a t i n gs e n s o l sw i t ht h e p r o c e s s i n gc i r c u i t si no n es u b s t r a t e c m o ss i l i c o nt h e r m a lf l o ws e n s o rw i mc m o sp r o c e s s e si sv e r yc h e a p i n t e g r a t i n gt h ec o n t r o l l i n g a n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sw i t ht h es e n s o rs t r u c t u r ei no n es u b s t r a t ec a nr e a l i z es m a r tw i n ds e n s o r t h e s e n s o r sb a s e do ns i l i c o nh a v ev e r yl o ws e n s i t i v i t ya n dt h eo u t p u ts i g n a l sa r eu l t r aw e a k a l lt h e s e w e a k n e s s e ss h o u l db em a k eu pb yt h ec i r c u i t so nt h es a m ec h i p nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n a l p r i n c i p l eo f t h es e n s o r ，t h ec o n t r o l l i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sw e r ed e s i g n e dt om e a tt h er e q u i r e m e n t o f t h es e n s o r t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ei n t h i st h e s i si sb a s e do nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e u n d e r m ek i n do f c o n t r o l l i n g t h es u r f a c eo f t h es e n s o ri sh e a t e da b o v et h ee l l v i r o n m e n t ，t h ei n f o f n l a t i o no f t h ew i n dv e l o e i t y a n dd i r e c t i o nc a r lb eo b t a i n e db ym e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w op o i n t ss y m m e t r i c a l l y l o c a t e do nt h es u r f a c eo ft h es e n s o r i nt h ec h a p t e ro ft h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t s t h r e ek i n d so fm o d e sw e r e d i s c u s s e d t h e ya r ec o n s t a n tp o w e r ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt e m p e r a t u r eb a l a n c em o d e s c o n s t a n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c em o d ew a ss o l e c t e dt om e a tt h es e n s o rs t r u c t u r ea n dt h er e q u i r e m e n t s i n t h es c o p eo f m e a s u r i n gw i n dv e l o c i t y , u n d e rac l o s e dc o n t r o l l i n gl o o p ，t h et e m p e r a t u r eo f t h es u r f a c eo f t h e s e n s o ri s k e p tf l c o n s t a n td i f f e r e n c ea b o v et h es u r r o u n d i n g s t h ec i r c u i t sd e s i g n e dc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t sa f t e rs i m u l a t i o n 1 1 l es e n s o rn s e st h e r m o p i l e st of f l e a s n r et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e s ot h eo u t p u tv o l t a g es i g n a li s u l t r al o wr m i e r o - v o l t ) a n di nv e r yl o wf r e q u e n c y t h o s ea m p l i f i e r sf a b r i c a t e dw i t hc m o sa r er e s t r i c t e d w i t ht h e i rs e r i o u so f f s e ta n dn o i s e ，e s p e c i a l l yt h el o wf r e q u e n c y1 f n o i s e i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nt h eo n c h i pl o wo f f s e tl o wn o i s ea m p l i f i e r s i nt h i st h e s i s ，t w ok i n d so fm a i n l yu s e dl o wo f f s e tl o wn o i s ed e s i g n t e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d o n ei sa u t o z e r oa n dt h eo t h e ri sc h o p p i n g 1 1 l ec h o p p i n ga m p l i f i e rw i t hi t sm a n y p a r t so fm o d u l a t i o ns w i t c h e s ，p r e - a m p l i f i e r , b a n d - p a s ss e l e c t i v ea m p l i f i e r ，a n dv o l t a g ef o l l o w e ra n d d e m o d u l a t i o ns w i t c h e si sd e s i g n e d t h ec i r c u i ti ss i m u l a t e dw i t hh s p i c et oo p t i m i z e t h er e s i d u a lo f f s e t o fm i e r o v o l ta n dt h ee q u i v a l e n ti n p u tn o i s ep s do f7 0 n v 4 mw e r eo b t a i n e d t h ed e s i g n e dc i r c u i t s w e r et a p e do u tu s i n gt h e5 n npw e l lp r o c e s s e s ，t h ec i r c u i t sf a b r i c a t e dh a v eb e e nt e s t e d ，a n dt h e s h o r t c o m i n g sw e r ea n a l y z e d t h ed e s i g nw a so p t i m i z e da g a i nf o rf a b r i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ep c bc o n t r o l l i n ga n ds i g n a lm e a s u r i n gc i r c u i t sw e r ea l s of a b r i c a t e dt ot e s tt h ec m o s s e n s o r t h es e n s o rw a st e s t e du n d e rw i n dt u n n e l i tc a nm e a s u r et h ev e l o c i t yo f t h es c o p eo f 0t o2 3 m sa n d w i t ht h es e n s i t i v i t yo f a l ld i r e c t i o n s t h e s ef a t h e r l yc o n f i r m e dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o l l i n g a n ds i g n a lm e a s u r i n gc i r c u i t s t h ef a b r i c a t i o no ft h ec i r c u i t ss t i l lp r o d u c e dm u c he x p e r i e n c ef o rt h en e x t d e s i g nw o r k s k e y w o r d s ： c m o sa n e m o m e t e r ，c t dc o n t r o l l i n g ，l o wo f f s e tl o wn o i s ea m p l i f i e r , c h o p p i n ga m p l i f i e r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：超塑! 至 日期：坐 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名红堡缉一导师签名：二釜翌留一日期：? 型 第一耄绪论 i i 课题背景和意义 第一章绪论 传感器的殴计历来是人们研究的热点，各式各样的传感器利用机械，热，电磁，声音，霍尔等 等不同的效应将多彩的自然界的各种信息转换成电量，并经信息处理使人们进一步的认识世界，极 大的推动了世界文明的发展。 自从集成电路( i c ) 工艺发明以来，特别是c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a l - o x i d e s i l i c o n ，互补 场效应管) 工艺的问世，得到了人们极大的关注并经历了迅猛的发展。在短短的几十年的时间内已 趋于完善硅工艺极大的批量使得昂贵的设计制造成本得到了极大的降低，同时新近的m e m s i l l 2 j 工艺( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c s y s t e m ，微机电系统) 能够在硅基片上利用i c 后处理工艺制作各种 机械结构，为传感器的设计开辟了新的途径并为传感器和处理电路的片上集成提供了可能，为最 终的片上系统口1 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 提供了现实依据。近年来，各种各样的基于c m o s m e m s t 艺的传感器【4 ，”不断问诸于世。 测量风速风向的设备自古以来一直受到人们的关注。因其在日常生活中具有非常广泛的用途， 一直是国内外设计的热点。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。虽然这种方法也能得到良好的结果，但这些机械装置因具有移 动部件而易磨损，体积较大，价格昂贵，需要经常维护。近期以来，人们也利用更高端的激光及声 学原理研制风速计，但其非常昂贵的价格限制了它的发展进程。其中发展最为迅速，普遍受到人们 关注的是利用成熟的c m o s 集成电路制造工艺及其新兴的m e m s 体加工工艺技术来研制硅热流量 传感器【6 ，7 】。这种传感器的优点是体积小，易于集成化，可批量生产，精度高且不易损坏。它能出色 的应用于风速风向的测量。 基于硅工艺的集成风速风向传感器能够将传感器结构和控制电路，信号处理电路集成于一体， 通过传感器芯片上某一与风速有关的物理效应作为媒介以测量风速风向，在大部分设计中选择温度 这一参量，因为温度参量具有如下诸多的优点： l 、绝对及相对温度都可以通过片上集成的电路精确测量；而c m o s 工艺能够很方便的得 到高性能的电路； 2 、 流体与加热芯片的热交换理论，著名的金氏定律( k i n g sl a w ) 【8 1 提供了风速和温差的 平方根关系，为传感器的设计提供了理论基础； 3 、温差对方向也灵敏，这样能够将风速和风向的测量装置集成在一起，并有可能实现智能 化的传感器； 4 、温度可以通过对多晶硅电阻加热获得，这样整个传感器完全可以使用i c 工艺制作，无 需附加工艺( 或者附加m e m s 后处理) ，并能实现传感器结构和片上控制和测量电路的 集成，批量生产，成本非常低廉。具有极大的商业潜在价值。 在近三十年的发展历程中，硅热流量传感器得到了迅速发展，目前硅热流量传感器对硅片表面加 热控制已发展为5 种主要模式”j 。 l 、恒定电流( c o n s t a n t c u r r e n t ，c c ) 工作模式，保持流过加热电阻的电流恒定； 2 、 恒定电压( c o n s t a n t v o l t a g e ，c v ) 工作模式，保持加热电阻两端的电压恒定； 3 、 恒定温度( c o n s t a n tt e m p e r a t u r e ，c t ) 工作模式，保持芯片上的温度在整个t 作过程中 恒定； 4 、 恒定温差( c o n s t a n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，c t d ) 工作模式，保持芯片温度和周围环境 温度差恒定； 5 、 恒定功率( c o n s t a n tp o w e r , c p ) _ 亡作模式，保持供给芯片加热器恒定的加热功率，其中 包括温度平衡( t e m p e r a t u r eb a l a n c e ，t b ) 模式等 1 东南大学硕士学位论文 信号检测过程中，人们对许多种热敏感元件进行了研究，除了使用非c m o s 丁艺，目前使用比较 多的c m o s 热敏感元件主要有： 1 、多晶硅电阻”0 】：由y - 其制作简单而且易。f 通过绝缘层与衬底实现热绝缘，因而其应用较多。 2 、二极管】：由于它在恒定电流条件下具有良好的温度特性，因此它的应用也相当广泛。 3 、热电堆旧”】：热电堆是由多个热电偶串联而组成的。其工作原理主要是利用热电偶所具 有的s e e b e c k l l5 效应。因为s e e b e c k 效应的自产生特性( s e l f - g e n e r a t i n ge f f e c t ) ，使得这种敏 感元件具有许多其它敏感元件所不具有的优点，因此其应用最为广泛。 c m o s 兼容风速计输出信号检测电路的研究，常常有以下三种形式： 1 、电路位于片外，传感器单独封装，热敏元件输出的信号送到片外电路处理( 早期) ，采用 板级电路，这种方式传感器输出的微弱信号容易受到干扰，整个片外电路比较复杂和昂贵。 2 、 电路在片上( 位于传感器加热区以外) 【1 “，这种方式首先对传感器的输出信号进行片上预 处理再输出片外进一步处理 通过适当的电路技术，对微弱信号进行良好处理，信号不易 受损害，并且降低成本，还可以实现传感器结构和处理电路分别试制，实现多芯片封装， 但是需要定的芯片面积。 3 、 电路在片上( 位于传感器加热区以内) 【l “，进行片上信号? 导数字化处理再输出。这种处理 方式不增加整个风速计芯片面积，同时对信号进行良好处理，直接能够进入数字领域处理， 文献”目采用了这种所谓的热一技术。但是传感器结构及其控制和信号处理电路集成在 一起，需要工艺支持，难度较大，是今后的发展方向。 针对多晶硅电阻和二极管型热敏感元件的测量，大多组成惠斯通电桥电路来工作，而热电堆型 热敏感元件一般做成对称结构，可以宜接输出测量值亦可通过片上a d c 转换器来实现数字化输出“。 热堆的输出信号非常微弱，需要很大倍数的放大以后才能被电子系统所处理，这样就对片上的处理 电路提出了非常严峻的课题，要求传感器片上处理电路具有非常低的抗干扰能力。针对微弱的传感 器输出信号检测，一般c m o s 工艺由于其严重的失调和噪声( 特别是低频1 ，f 噪声) 的限制，很难 胜任，需要采用特殊的低失调低噪声电路技术，目前应用非常广泛的有两种低失调低噪声放大器： 1 、a u t oz e r o ( 自动补偿) 技术口，这种放大器采用两相不重叠时钟，在第一节拍内输入短接， 采样放大器的失调和噪声并保存起来；第二节拍内，放大器输入接传感器的输出信号，原 来采样保存的失调和噪声进行补偿，从而在放大器的输出得到无失调和低频噪声的放大信 号。 2 、 c h o p p i n g ( 斩波技术) 技术m 2 “，这种放大器采用调制技术，将近似直流的低频传感器输 出信号调制到高频，从而与放大器的失调和低频噪声在频带上错开，经过调制信号频段的 选择放大，再解调回基带而实现无干扰直流放大，斩波放大能克服自动补偿技术由于对热 噪声的欠采样而引起的噪声混迭，从而不会抬高熟噪声水平，更加适合低噪声处理。 自v y p v a l lp u t t e n 于1 9 7 4 年开始研究热损失风速计以来口”，基本上已经开始应用传感器结构和 电路的集成，图1 1 为p u t t e n 设计的采用多晶硅电阻作为敏感元件的风速计，采用恒电压恒电流加 热，使用双桥，及其惠斯通电桥测量信号，这里仅仅能够测量风速。韩国口q 的研究使用m e m s 技术， 加热器和测温元件采用金属铂。用恒温差驱动电路控制加热，惠斯通电桥测量风速，对称热敏电阻 测量风向，如图1 2 所示。 图i 1v f p v np u t t e n 在1 9 7 4 年设计的风速计及电桥电路 2 第一章绪论 图1 2 韩国研制的采用金属铂作为加热器和测温元件的风速计 图1 3 给出了瑞士苏黎士高工黄秋庭教授设计的采用热堆作为敏感元件的风速计”，风速计经 过了正面腐蚀而提高热效率，片上处理电路采用上述的斩波技术。荷兰d e l f t 大学电子仪器实验室从 1 9 8 9 年以来一直进行c m o s 兼容风速计的研究”，先后采用了片外电路，片上电路等多种研究，电 路技术分别从a u t o z e r o ，c h o p p e i n g 到热一技术，最终于2 0 0 1 年推出产品，如图1 4 所示。 图1 3 瑞士苏黎士高工黄秋庭教授设计的风速计 图1 4 荷兰d e l f t 大学电子仪器实验室研制的风速计 本实验室对于硅热流量传感器的研究由来已久，目前主要采用了对称热堆作为热敏感元件。本 文将针对这种传感器的工作原理，重点探讨硅热流量传感器的工作模式( 控制方法) ，介绍实现传感 器信号采集处理的技术问题及其实现电路形式。 1 2 本论文的主要工作 c m o s 兼容风速风向传感器是国家“8 6 3 ”项目“气象检测微系统”( 包括风速风向传感器，湿 度传感器、压力传感器等) 的一个子项目。它测量风速风向的信息，输出微弱的电压信号，经过低 失调低噪声放大，并经过a d c ( a n a l o gd i g i t a lc o v e t e r ，模数转化器) 获得数字化的信号，迸一步 处理，用于气象服务，同时用于灯塔船，游船，渔船等各类船只，园艺温室等环境，安全工业其至 海军等各类军事行动方面也具有广泛的应用前景。 c m o s 兼容风速风向传感器的主要研究工作如图1 5 所示。 3 东南大学硕士学位论文 ! j ：我的工作； 图1 5c m o s 兼容风速风向传感器主要工作。 本论文主要针对实验室的基于热堆的对称结构c m o s 兼容风速风向传感器设计控制电路和检测 电路，具体的上作如下： 1 、 进行传感器结构分析，得出输出的信号的特点，并为后面的信号检测电路提供指标要求。 2 、 进行传感器工作( 控制) 模式的分析比较，完成恒温差控制电路的设计和仿真及版图设 计。 3 、 针对传感器输出的低频微伏量级的输出信号，分析了两种主要的低失调低噪声放大技 术，分别为a u t o z e r o ( 自动补偿) 技术和c h o p p i n g ( 斩波技术) ，具体进行了斩波放 大器的分析和设计。 4 、 针对5 微米p 阱标准c m o s 工艺，具体计算了s p i c e 仿真模型，并制定了流片工艺流程， 完成了电路的版图设计和流片。 5 、 针对流片结果进行了一定的测试和分析，并对传感器进行了版级测试，针对测试结果进 行了分析和展望。 6 、 针对设计电路，进行了详细的总结，并提出了改进的措施，为以后项目的进一步开展提 供了建议和意见。 本文首先浅谈了课题的背景和意义。第二章主要介绍基于热的c m o s 兼容风速风向传感器的工 作原理和结构并进一步提出了对电路的要求。第三章分析了传感器的主要控制方式，并具体实现了 恒温差控制模式的设计与仿真。第四章主要讨论了当前应用最广泛的两种低失调低噪声放大技术， 分别讨论了它们对失调和噪声( 包括热噪声和1 f 噪声) 的影响，并完成了斩波放大器的设计。第 五章针对5 微米标准c m o s 工艺，制定了流片工艺流程并完成了控制电路和信号检测电路的版图。 第六章对流片结果进行了分析并在版级对传感器进行了测试，进行了测试结果的分析。撮后对设计 进行了总结并给出了意见和展望。 1 3 本章小结 c m o s 兼容风速风向传感器具有非常深远的应用价值和商业价值，它利用成熟的c m o s 工艺实 现批蹙生产，从而实现传感器的低成本，同时能够通过片上控制电路和微弱检测测量电路与传感器 结构的集成，有可能实现智能化的传感器。由于硅基传感器灵敏度非常低，输出信号非常微弱，所 有这些弱点都必须通过片上集成电路来弥补，从而决定了本论文开展工作的重要性。本章具体综述 了热流量风速计的发展，控制模式和微弱信号测量电路。下一章介绍c m o s 兼容风速计的结构和工 作原理，针对温差型测量原理，提出了恒温差控制电路方案，同时提出了风速计的设计指标和微弱 信号检测电路的设计要求。 第二章c m o s 风速计的结构和工作原理 第二章c m o s 兼容风速计的结构和工作原理 2 1c m o s 兼容风速计的结构分析 c m o s 兼容( 或m e m s ) 集成风速计的工作原理主要有两种，分别是热损失型风速计和热温 差型风速计”) 4 】，他们具有不同的结构。图2 1 给出了c m o s 加m e m s 工艺的热损失风速计的结 构，在硅片的表面覆盖着一层绝缘绝热层氮化硅s i ，n 。，在上面制作一定阻值的金属铂电阻，该铂电 阻上通过一定的电流加热，作为加热器，同时铂电阻对温度敏感，又可以作为热敏感元件，采用电 桥，可以测量在风速的影响下的温度变化。图2 1 ( a ) 给出了剖面示意图，图( b ) 给出了表面删 照片，可以看出，为了减少加热电阻区域的热量向四周及硅片衬底的传导，在硅片衬底上，腐蚀出 一个悬浮膜，从而提高了热效率。 ( a )( b ) 图2 1 热损失风速计示意图，( a ) 剖面图，( b ) s e m 照片 本实验室设计的是温差型的基于c m o s 工艺的风速风向传感器p j ，采用热堆构成热敏感元件， 如图2 2 所示，其中图2 2 ( a ) 给出了风速计的结构平面图，( b ) 给出了剖面示意图。整个传感器 由标准c m o s 工艺完成。在图2 2 ( b ) 的剖面示意图中，位于四个方向上的垂直分布的加热电阻由 多晶硅制成，其阻值均为2 0 0 q ，用作加热器。设计中在每个加热电阻上面覆盖一层与之相接触的 铝条，剧以将其产生的热量传导到传感器的表面，在风吹过后，增加有效的强迫对流分量，这种结 构能够提高传感器的灵敏度。四个p o l y a l 热堆的热端靠近相应的加热条，冷端连在一起与衬底接触， 用来作为测温元件。这种结构使得该热堆既能提供控制信号，同时又能产生输出与风速风向相芙的 读出信号。每个热堆由1 5 根相同的热电偶串联而成，这样它的输出信号将是单个热电偶的1 5 倍， 每个热堆的内阻为1 0 x q 。由于热电偶是一个自产生元件，当传感器表面没有风经过时，整个芯片 表面四个方向上的温度呈现平衡的分布，对称点上的温差为零，相对热堆的差模信号输出为零。这 一点优于那些采用集成晶体管对或者热敏电阻作为测温元件的设计。整个传感器结构制作在集成电 路工艺的场氧化层上，因为二氧化硅的热导率大约是硅的1 7 0 ，从而减小向村底的热传导。 5 东南大学硕士学位论文 ( a ) ( ” 图2 2c m o s 兼容热温差风速计示意图( a ) 结构示意图：( b ) 剖面示意图( p n 结未画出) 。 2 2c m o s 兼容风速计的工作原理 2 2 1 热损失风速计 传统的热损失型风速计设计通过测量芯片表面向流体传递的热量多少来测量风速，芯片上的加 热器常常采用热敏电阻，这样如果恒定的功率( 恒功率控制) 耗散在加热器上，随着风速的增加， 向风中传递的热量增加，从而会引起加热器温度下降，热敏电阻阻值变化。通过电路的处理能够得 到风速的大小。同样也可以采用恒温差控制，保持芯片表面温度高于环境一定温度，风速增大，要 保持设定温度差，耗散的热量必须增大，耗散热量表达式如( 2 - 1 ) 所示【9 o q = ( a + 瓦苫) r ( 2 1 ) 其中，口表示通过热传导向流体和衬底的热传导，口厩表示对流传热，a t 表示温度变化量， 通过测量热损失功率o 可以得到温度变化量。从而可以得到风速信息，这种传统的测量热损失的方 法，不能精确测量3 6 0 0 风向，已经逐渐被本文所采用的温差测量方法所代替。 2 2 2 热温差风速计 2 2 2 1 速度和热边界层 加热了的芯片表面暴鳝在风中，风对传感器表面上游和下游会产生不均匀的冷却，从而在芯片 表面产生温度梯度，该温度梯度能够同时反映风速和风向【6 “。如图2 3 所示，当速度为u 的风接触 到衬底时，会在衬底表面产生一个很薄的边界层，边界层内的风速从衬底处的0 逐渐变化到u ，并 且随着风的推进边界层的厚度增加。采用恒温差控制模式，假设流体和衬底的温度都为环境温度晶 采用一个闭环控制使得芯片热源表面的温度l 高于，并保持其温差r = 瓦一r o 恒定( 一般为 15 0 c 2 0 0 c 左右) 。图2 3 中可以看出，在芯片上游温度从l 冷却到晶比下游要快，即风对上游芯 片表面的冷却更加厉害，从而在上下游产生了与风速相关的温度梯度。 6 第二章c m o s 风速计的结构和工作原理 基座 t 芯片 图2 3 片上速度和热边界层内的速度和热分布图 i 亨_ 1 q ，l t l t 2 i 哙毫l i x - 4l 咚鞣热麟 国介8 国 n 1 嚣撇 图2 4 温差测量的功能示意图图2 5 热堆测温的集成风速计结构 2 2 2 2 风速和风向测量 采用温差测量的原理如图2 4 所示。图1 5 给出了具体的结构实现，根据文献例，对于一个热冲 击，芯片上l ，2 两点之间的温差五2 与芯片表面的热分布，与两点之间的等效热阻以及热传导系数 有关，并且和r ( 设定的芯片与环境的恒定温差) 成正比，同时芯片x 方向正，疋两点的温差耳2 与而( r e 为流体的雷诺数) 成正比f 9 】，其关系满足式( 2 - 2 ) 。 t 1 2 “c i a t 瓜咱御厚= c a r , - 5 ( 2 - z ) 式( 2 - 2 ) 中# 为流体动态粘度，比例因子c 与芯片的几何尺寸，包括风向上测温两点之间的距 离，。( 此处，。2 1 ，) ，以及上面提及的热导率，及其流体状态等参数有关。 如果风向不是沿着x 方向，而是与其有一个夹角口，如图2 4 所示。由于风可以看成矢量，则 可以将风沿着平面坐标轴分解，从而锝到在x 和y 方向上的两个分量仉= u c 0 8 ( 口) 和协= u s i n ( a ) 。 考虑风的u x 和毋两个分量分别对温差五2 的影响，对于前者，满足关系式( 2 2 ) ，与万成线 性关系，而对于后者，由于是在点1 ，2 连线的垂直方向，只会产生对这两点相同的热耗散，不会对 温差五2 产生影响。假设在风向上的温差为l ，上下游的距离为l 。，将u x 和以代入( 2 - 2 ) 得到 式( 2 3 ) 。 吗畸蛆厄畸蛆降畸蛆严警趔- 枷 ( 2 3 ) 其中f 。为风向上两测温点之间的距离，分解到x 方向上就是，。c o s ( a ) 。同样可以得到垂直方 向的温差如式( 2 - 4 ) 。 五4=osin(口)(2-4) 根据这两个可测量信号能够得到与风速和风向相关的信息分别如式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 。 凡2 = 0 2 2 + l 4 2 = ( ca t ) 2 u ( 2 - 5 ) 7 东南大学硕士学位论文 c 觚陋1 ：些 、7 五2 ( 2 6 ) 如此可见如果保持芯片温度和环境温度之差a 7 在合适的范围之内可以得到与风速无关的方向 信息，根据五2 和毛4 的象限，根据一个分段处理的算法，使得传感器能够在3 6 0 。内敏感，利j j 这 种与风速和风向都相关的温差原理可以制作硅热流量传感器用作二维c m o s 兼容风速计。 2 3c m o s 兼容风速计设计性能指标 根据项目要求，本实验室设计的c m o s 兼容恒温著风速计总体设计要求如表2 1 所示 表2 - 1c m o s 兼容恒温差风速计总体设计要求 参数性能指标 风速测量范围m 一2 0 m s 风速分辨率0 5 m s 风向测量范围 0 3 6 0 。 风向分辨率 4 0 2 4c m o s 兼容风速计控制和检测电路设计要求 2 4 1c m o s 兼容风速计控制电路的要求 设计中对c m o s 兼容传感器进行恒温差控制，利用一个反馈回路使得芯片表面温度高于周围环 境温度1 5 2 0 。c ，并保持在不同的风速下恒定。 2 4 2c m o s 兼容风速计信号测量电路的要求 根据文献，传感器表面在风速的影响下， 为2 0 。c ，则最大风速下的温差如式( 2 7 ) 所示 6 t = 1 + t = 1 + 2 0 。c = 0 2 。c 温差最多也就在设定温差的1 。假如设定温度差 采用熟堆作为热敏感元件，在标准c m o s 工艺中，可以由多晶硅和铝构成热堆 ( s e e b e c k ) 约为1 0 0 , u v 。c ，则相应的热堆的塌大输出差模信号如式( 2 - 8 ) 。 ( 2 7 ) 其塞贝克系数 a v = n a 6 t = 1 0 0 a t 。c + 1 5 0 2 。c = 3 0 0 a v ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 中为热堆根数，口为热堆的塞贝克系数，对应着最大的风速2 0 m s ，根据线性关系，在 0 5 m s 下，热堆输出信号为式( 2 - 9 ) 。 a v = 7 5 a v ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 即为传感器热堆输出的最小信号，也是后面放大电路要求的最低分辨率。放开一定裕 量，设计放大器的处理电路需要最小分辨率为5 , u g 。从而要求输入等效噪声在带宽内积分为5 p v ， 由于风速的频带非常小，所以设计的放大器可以具有较小的带宽，选定带宽5 0 0 h z ，这样在5 0 0 h z 的 带宽内要求等效输入噪声 2 2 加p ，磊，同时可以要求电路具有不大于5 , u v 的输入等效失调a 信号测 量电路参数如表2 - 2 所示。 8 第二章c m o s 风速计的结构和工作原理 表2 2 风速计输出信号测量电路设计限制 项目指标 芯片上的温差o 2 热堆输出范围( 电路的输入范围)0 - 3 0 0 u v 电路的分辨率 5uv 输入失调 5u v 电路需要输h j 范围 0 1 0 0 m v 电路的直流增益 5 0 0 v 电路带宽 5 0 0 h z 等效输入噪声 1 ，式( 3 6 ) 可以简化成式( 3 7 ) 研一江d v + ( 生逝d r o ) 4 i i却i 从而风速的变化量咖可以根据奶和u 。计算得到式( 3 8 ) d v = 一m c r ( 堕咖+ ( 生翌坦马d r o ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 从式( 3 墙) 中可见风速仍然是环境温度的函数但是当测温元件灵敏度m 何) 和，1 2 ( l ) 相等如式 ( 3 9 ) 时。系统输出与传感器灵敏度无关，从而风速不再是环境温度的函数，如式( 3 】0 ) 。图3 3 给 出了加热功率随风速变化关系图。 l ( 五) = m 2 ( l ) ( 3 - 9 ) _ d v = “c r 垃 ( 3 1 0 ) 东南大学硕士学位论文 0 风速v 图3 3 恒温差工作方式加热功率与风速变化关系图 3 1 1 2 恒温差控制电路 恒温差控制电路见图3 4 。在工艺上，这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。有的做法在芯片的 中间放置一个二极管作为芯片测温元件，在片外放置一个同样工艺的二极管用作环境温度检测，或者在 一个封装内封装进两个同样工艺的芯片，一个芯片用于工作传感器，其中间的二极管用来测量工作芯片 的温度，另一个芯片不工作，其中间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 止环境温漂工作范围较大，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热隔离， 在工艺上相互矛盾而较难实现。一个传感器封入两片芯片增加了成本。该工作模式的这种测温元件的制 各工艺成为技术难点。 t a t 四个加热器 图3 4 恒温差工作模式控制电路 e f k 图3 4 中，l 为测温元件( 本设计中采用刚结测温) 检测的环境温度，若采用双芯片封装，此处 为不工作芯片中心p 结输出量，为设定的芯片和环境之间的温差( 一般在1 5 。c ) ，五为加热芯片 中心p a r 结输出检测的芯片平均温度。将耳与l + ，相比较，从而控制开关k ，决定是否对芯片加热， 当芯片温度五高于t + a t 时，关断开关k ；反之打开开关k ，对芯片进行加热，始终控制芯片温度与 环境温差在设定的a 7 。 恒温差控制虽然比较复杂，但是其较大的测量风速量程具有非常大的吸引力。 2 加热功率 帕 第三章c m o s 风速汁的控制原理和电路设计 3 1 2 恒定功率( c p ) 工作模式【2 ，3 l 3 1 2 1 恒定功率( c p ) 工作模式理论模型 恒功率t 作模式相对恒温差工作模式更加简单，只要采用恒定的电压和恒定的电流对传感器的固定 加热电阻进行加热，从而在其中耗散恒定的功率。恒功率工作模式系统示意图如图3 5 所示。当恒定的 功率耗散在传感器电阻上，随着风速的增加，加热电阻区域的温度将会下降，传感器芯片温度和环境温 度之间的关系通过式3 1 得到式3 11 。 正2 南+ t b 传感器物理结柯 图3 5 恒功率( c p ) 工作模式风速计系统结构。 由式( 3 1 1 ) 可以看出芯片温度五是耗散功率蜀，风速v 和环境温度l 的函数。如果想测量在恒定 功率b 下的未知的风速v ，同样需要测量芯片温度五和环境温度，根据温度转换电压之差u ，一u ：和 已知的耗散功率毋，可以得到传感器的输出风速v ，图35 中，m - ( 正) 和m 2 ( 瓦) 分别是温度传感器的 传输特性，m o p 是风速计的模型。在小信号分析中，可以得到咖+ 如式( 3 1 2 ) 。 d v + = m c p a ( u i u 2 ) ( 3 1 2 ) 如果温度传感器的灵敏度为m l = a u , a t , 和m 2 = d u 2 d 兀，进一步得到式( 3 1 3 ) 。 d v = m c p ( m 1 奶一i n 2 嘎) ( 3 - 13 ) 传感器结构设计成能够对芯片温度正和风速v 响应，由于加热功率恒定，可以得到d p = 0 ，故根据 式( 3 1 1 ) 可以得到媚= 5 i v 咖+ 以：，这样