CMOS-MEMS单片集成热式流量传感系统的温度补偿技术

逍遥设计自动化

引言
流量传感技术在工业监测和医疗诊断等多个领域有广泛应用。随着精确流量测量需求的增加，特别是在健康危机期间的呼吸监测等应用中，高精度且具有温度补偿功能的流量传感器变得格外重要。本文引用最新论文探讨了具有集成温度补偿功能的CMOS-MEMS单片集成热式流量传感系统芯片(SoC)的设计和实现方法[1]。
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系统架构与基本原理
# A/ i/ o  i% N4 f- F/ @, E该流量传感系统的核心创新在于MEMS传感器与CMOS线路的单片集成。系统采用P+多晶硅层工艺制造，由中央加热器和对称分布的热敏电阻组成。这种集成方式显着提高了信噪比，同时优化了芯片面积利用率，降低了整体开发成本。

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8 r' {( B' D& |2 R( Y图1：(a) MEMS热式流量传感器的三维结构视图 (b) 展示VTD控制线路和惠斯通桥读出线路集成的系统级模型
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! Q: n9 i: N) p  S2 G; z9 S传感机制通过围绕中央加热器(Rh)strategically布置的上游和下游热敏电阻对(Ru1, Ru2, Rd1和Rd2)实现。当气体流经传感器时，在上游和下游热敏电阻之间产生温度差。该温度差通过精密的读出线路转换为电信号。系统采用SMIC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺制造，集成了可变温度差(VTD)控制线路和低噪声电流反馈仪表放大器(CFIA)读出线路。

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1 n' |8 W7 h$ W0 }3 }" m. c9 [$ W温度补偿策略
温度漂移是流量传感系统面临的主要挑战之一，在不同工作条件下可能影响测量精度。系统采用创新的可变温度差(VTD)控制线路来解决这一问题。VTD线路采用负反馈环路工作，其中惠斯通桥中的电阻比R1/R2和(Rr + Rc)/Rh配置为k = 5:1。
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! q0 b6 J' v" O1 l+ u图2：显示在不同环境温度下流量传感SoC的(a)过热温度ΔTh和(b)系统输出Vout的仿真结果，说明了温度补偿的必要性。

设计中的运算放大器(OPA)实现了108.6 dB的高增益和62.8°的相位裕度，确保了稳定和精确的反馈。VTD线路可以向加热器提供最大3.1 mW的功率，远超实现50°C过热所需的不到1 mW的典型要求。这种余量确保了在各种流速和环境温度下的稳定工作。
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- \. D& L& S" C& j" N- N制造工艺与实现
% ^) h. R" p, x" ]) m该系统的制造工艺将CMOS技术与专门的MEMS工艺步骤精确结合，实现了完整的集成传感系统。制造流程从标准CMOS工艺开始，随后进行专门的后CMOS工艺以释放MEMS结构。
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- K- p7 P# d0 N2 B( `+ y2 _3 X7 B图3：热式流量传感SoC的逐步制造工艺流程，展示了CMOS和MEMS组件的集成过程。

6 `9 ]2 A# l2 d  P/ E4 D5 Z制造顺序包含多个关键步骤，从CMOS芯片的准备开始。随后通过光刻工艺暴露传感器悬浮区域的顶部金属层(M6)。接着进行干法刻蚀去除暴露的顶部金属层，然后用反应离子刻蚀(RIE)将二氧化硅刻蚀至硅基底。制造流程以深度反应离子刻蚀(DRIE)创建垂直沟槽和XeF2等离子刻蚀悬浮传感器结构结束。

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. R+ O- y; S7 E+ t2 G实验设置与验证
实验验证采用了全面的测试设置，用于评估传感器在各种工作条件下的性能。制造的SoC封装在一个定制设计的3D打印流道中，尺寸为65 mm × 12 mm × 2.5 mm（长×宽×高），并嵌入印刷电路板中。

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图4：显示了带有N2气体流动系统的完整测试装置以及温度箱配置，包括系统PCB和测量仪器。

测试设置使用通过压力减压阀和节流阀控制的氮气(N2)流。整个测试装置置于温度箱(SH-222, ESPEC, Japan)中，以精确控制环境条件。实验结果显示温度稳定性显着提高，补偿系统在0-10 m/s流速范围和0-50°C环境温度范围内的温度漂移从±8.9%降低到±1.6%。
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性能结果与分析
系统性能评估在各种工作条件下表现出复杂的行为。在恒温差(CTD)模式下，加热器保持约50°C的相对稳定过热温度。然而，系统输出随环境温度变化显示出明显的变化，在9 m/s时相对于25°C的输出表现出±7.9%的变化。
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图5：全面的性能对比，显示了(a)CTD模式温度响应，(b)CTD模式输出电压，(c)VTD模式温度响应，和(d)VTD模式在不同环境温度下的输出电压，证明了温度补偿的有效性。
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( |/ j% F" \1 R7 ^  b, n可变温度差(VTD)模式的实现带来了显着改进。补偿策略使用精心选择的补偿电阻Rc，在25°C时电阻值为748.21 Ω，温度系数为3.037 × 10?3 °C?1。这种配置通过将PT100电阻与PT500电阻并联，然后与另一组PT100和PT500电阻串联实现。

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总结
该集成系统显示出在医疗应用，特别是呼吸监测等领域的应用优势。单片集成方法减小了系统尺寸，降低了成本。系统的性能特征包括宽工作范围(0-10 m/s)，低功耗(
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1 M7 j" c  ~6 h/ h# d8 R参考文献
[1] L. Hong, K. Xiao, X. Song, L. Lin and W. Xu, "System-level modeling with temperature compensation for a CMOS-MEMS monolithic calorimetric flow sensing SoC," Microsystems & Nanoengineering, vol. 11, no. 13, pp. 1-11, Jan. 2025, doi: 10.1038/s41378-024-00853-8.
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