集成硅热流量传感器

1、收稿日期 :2002-09-27作者简介 :朱昊 (1979, 男 , 安徽灵璧人 , 硕士研究生 , 主要从 事 C M OS ME MS 的研究与开发 ; 秦明 (1967, 男 , 江苏人 , 博 士 , 副教授 , 现任东南大学 ME MS 教育部重点实验室副主任 , 主要从事 C M OS ME MS 和光 ME MS 研究 ; 黄庆安 (1963, 男 , 河南 洛阳人 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , 现任东南大学电子工程系副 主任 、 ME MS 教育部重点实验室主任 , 主要从事微电子技术教 学 、 ME MS 研究工作 。文章编号 :1000-8829(2003 04

2、-0005-04集成硅热流量传感器Integrated Silicon Thermal Flow Sensor(东南大学 ME MS 教育部重点实验室 , 江苏 南京 210096 朱 昊 , 秦 明 , 黄庆安摘要 :将传感器与电路集成在同一个芯片上具有体积小 、 噪声小等优点 , 因而收到了广泛的重视 。 本文介绍 了硅热流量传感器的基本原理及发展状况 , 并针对电 路和传感器集成的过程中出现的问题进行了探讨 , 对 该类传感器的设计有一定的参考价值 。 关键词 :流量传感器 ;ME MS ;C M OS 中图分类号 :TP212文献标识码 :AAbstract :Microsens or

3、s integrated with circuits in a chip have advantages of small dimension and low noises etc. The theory and development of silicon thermal flow sens ors are introduced ,and questions which appear when sens ors are in 2tegrated with circuit are als o discussed. It has s ome reference value for further

4、 design of this type of sens ors. K ey w ords :flowsens or ;ME MS ;C M OS com patible 传感器因其作为非电世界与电世界的桥梁而成为 智能电子系统的关键部分 。 其中流量传感器在工业控 制 、 医疗 、 汽车等许多领域均有着重要的运用 。到 2002年微流量传感器占据了 ME MS 大约 19%的市场 份额 。随着微加工技术的进步硅传感器得到了很大的发 展 , 其基本原理涉及到物理学的各个分支 。自从 Van Putten 和 Middelhoek 在 1974年开发出第一个基于硅技术双桥的流量传感器 1以来 ,

5、 因其基本原理及结构比 较简单 (不需引入非电元件 和微流量高灵敏度而被广 泛应用 。由于在过去的几十年中 C M OS 技术在集成电路工业中占据了主要的地位 , 在减少特征尺寸和成本的同 时 , 。而微 , , 总的说 : 集成在传感器上面的电路比起分立的传感器电 路能够更好地适应传感器的输出 ; 传感器与电路芯片内互连线减少了信号采集噪 声 ; 在芯片衬底上制作电路 , 能使电路温度跟随传 感器 , 从而获得更好的温度补偿效果 。基于以上的考虑 , 人们早就开始了集成流量传感 器的研究 , 从最开始的将差分放大器集成在芯片里 , 到 现在将多个传感器和相应的控制及处理电路等集成在 一起 。

6、本文介绍了硅热流量传感器的基本原理和现状对 于集成形式中可能存在的问题进行了讨论 , 对该类传 感器的设计有一定的指导意义 。1 工作原理与实现1. 1 基本原理与分类硅流量传感器涉及到许多领域的知识 , 但是很大 部分的硅流量传感器是基于热学原理 。 所以通常硅流 量传感器可以分为非热式流量传感器和热式流量传感 器 。 下面着重讨论热式流量传感器 。 从基本原理上可分为 3类 2:(1 热损失式 。如图 1, 用温度传感器测量流体流过加热体时的 温度变化 , 从而反应流速 。通常敏感元件的热损失会 随着流速的增大而增大 , 很多的流量传感器都基于这 个原理 。 按照薄层边界层理论 , 对流传

7、热与流速的平 方根成正比 , 实际上由于与周围的对流和热传导 , 流速 为零的时候仍有热损失 , 从而有半经验公式 K ing 定律P T =A +BU 12(15 集成硅热流量传感器图 1 热损失流量计 式中 , P 为消散功率 ; T 为流速为零的时候产生的温 差 ; A 和 B 由传感器的尺寸和 流体性质决定 , 其原理如图 1所示 。 基本上有两种方式 :恒定加热功率 , 测量加热体的温度变化来反映流速 ; 恒定 加热温度 , 通过测量需要增加的功率来反映流速 , 这时 候有一个反馈环从而测出温度补偿所需要增加的功 率 , 这种模式比恒定功率模式反应时间要快得多 。(2 热温差式 。如

8、图 2, 通过测量流体流过加热体时 , 加热体附近 热场变化 , 来测量流速 。这种工作方式现在应用最为 普遍 。 此类传感器按其具体工作原理又可细分为热风 速计式与热量计式 。热风速计式流量传感器的传热方式主要是通过强 迫对流传热 , 边界层 , (l 总成立 例 , 。这两点的传热量和温度的关系为Q =(+1 (T 1-T 0 (2 Q =(+2 (T 2-T 0(3式中 , T 0为流体的温度 ; T 1、 T 2为温敏元件的温度 ;1、 2为该点边界层的厚度 ; 、 为与流体性质有关 的热传导量 ; Q 为传热总量 。若在两个温敏元件处传 热量相等 , 并根据相关经验公式可以推导出T

9、=T 2-T 1= +(4式中 , v 是流速 。由此可知热风速计式流量传感器的 输出信号是 v 的函数 。热量计式流量传感器又称为质量流量计 。 其基本 工作原理是利用加热器加热流体 , 通过测量由于对流 传热被流体所传输走的热量 (正比于质量流且与流体 类型有关 来测量流量 。此种传感器的两个温敏元件 彼此靠得很近 , 此时从加热器传输到温度敏感元件的 热量不由热边界层所决定 。 此种传感器的输出信号在 低流速情况下与流速成线性关系 (此时 µl 总成 立 , 在某一流速下到达最大值后随流速上升而下降 。 它在微流量测量领域应用较广 。(3 热脉冲传递时间法 。图 2 温差式流量

10、计如图 3, 通过在加热体加热功率附加一个脉冲信号 , 在流过一定距离 l 后 , 信号被检测到的时间长短 ,反映了流速的大小 。 如图 4所示 3, 如果流速过小 , 则 由于热脉冲信号会因为传热而变弱 , 所以检测元件检 测到的信号会很微弱 , 因此这类传感器的流速测量范 围一般应不小于 D T l (D T 为热扩散率 。3 图 4 热脉冲传递时间传感器的脉冲信号 对于不同的流速传播中的敏感元件检测到的信号变化上面 3种原理的总结见图 5。图 5 热流量传感器基本原理框图1. 2 工作模式按照热流量传感器的加热元件工作方式一般可以将其分为 3种方式 : 恒定温度方式 (CT :保持加热元

11、件的温度恒 定 , 环境温度的变化会影响测量结果 。 恒定功率方式 (CP :恒定加热体的功率 , 这种 方式能够避免环境温漂 。 恒定温差 (CT D :可以补偿环境温度变化带来的 漂移。 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 , 用于反映的是环境温度 , 所以它离芯片不能太远 , 而且要和加热体热隔离 , 实际运用的时候比较困难。 1. 3 热敏感元件的实现针对以上的基本原理 , 人们采用了多种实现方式6 测控技术 2003年第 22卷第 4期(主要是按照敏感元件的基本原理来分类 。 热阻类 1:1974年的第一个硅流量传感器就是

12、 基于热阻原理 , 这种敏感元件的特点就是结构简单 , 而 且易于通过绝缘层与衬底实现热绝缘 。 热电类 4:主要是用热电堆作为敏感元件 , 一般 用金属和多晶硅或者 p 型多晶硅和 n 型多晶硅来构 成 。 它可以直接把温差转化为电信号 。 它基于自产生 效应 , 也就是说不需要电能来将热信号转变为电信号 , 而且没有偏移 。因为温差为零的时候它没有输出信 号 , 也不需要偏置 5, 基于以上的优点这种敏感元件正 在广泛应用 。 热电子类 6:一般有二极管和晶体管 (M OS 管和 双极型晶体管 。 本实验室以前的流量传感器的敏感 元件就是采用场效应管 。 热释电类 7:引起表面电荷变化 ,

13、 从而产生电流 ,I 式中 , P 、 A 、 T 、 探测区面积和热释 电材料的温度 。 频率模拟类 8:这类传感器主要通过热激励振 荡频率的测定来反应流速 。1. 4 支撑部分的实现从上面的原理可以看出流量传感器都必须考虑有 传感部分和绝热支撑部分 , 这种考虑有利于改进传感 器反应时间和灵敏度 。 因为减少传感器的反应时间就 应当减少热敏元件的热容 , 要提高传感器的灵敏度就 要减少敏感元件对于支撑部分的传热 。 最初的传感器 (Van Putten , 1974 就存在这个问题 , 热容由整个芯片 的热容决定 , 而且由高热导率的硅来向底部传热 。减 少热容通常有 3种解决办法 : 敏

14、感元件通过低热导率的材料与其他部分隔 离 , 比如 1999年 K altsas 和 Nassiopoulou 用一定厚度的 多孔硅来实现绝热 , 从而避免了体硅腐蚀成膜和膜的 易脆性 4。 加热元件和敏感元件放在薄膜上 , 使得传热局 限在薄膜上 。 微梁作为支撑部分 , 从而将传热局限在一维的 结构中 , 而且梁的横截面积越小越好 。从上面的分析可知若在减少支撑部分横截面积的 同时用热导率较小的材料 (比如氮化硅 来代替热导率 较大的硅将获得很好的效果 。1. 5 电路实现近几年 ME MS 将 C M OS 技术与微机械加工和薄膜 技术结合在一起制造出 C M OS 集成 ME MS ,

15、1987年本 实验室研制出将放大电路与流量传感器结合在一起 6 的电路 。传感器电路一般分成 4个部分 9:外围功能电路 (提供辅助时序和电路功能 , 比如电压电流基准源和无 温漂传感偏置等 ; 传感信号状态电路 (比如传感器读 出电路 、 非理想补偿电路 ; 信号处理电路 (谱分析 、 数 据压缩等 和输出接口电路 。其中将信号读出放大电路集成在传感器芯片上最 为重要 , 因为一般的流量传感器的输出信号都比较微 弱 , 若将其直接输出到芯片外的噪声环境中 , 就会引入 噪声 。 所以应当将信号放大后输出 , 最好的办法是将 其转换成数字信号 (二进制信号或者数字调制信号 然 后输出 , 这样

16、信号避免被噪声淹没 。集成在传感器芯 : , 输出放大后的 , 。 A D 转换电路集成在芯片 , 实现基本的数字输出 , 降低了噪声影响 。 处理电路和控制电路均集成在传感器芯片 上 1113。 对于热流量传感器来说 , 加热控制电路的集 成可以实现对于芯片温度的监控 , 从而有利于加热条 温度的控制 , 实现无温漂的流量传感 。有些还集成有 相应的自测试电路 , 对流量传感进行了及时标定 , 使得 这个系统具有自校准 、 自测试和自诊断的功能 13。 图 6是本实验室研制的气象传感器风速部分的顶 视图 。 整个传感器包括温度传感 、 风速传感和湿度传 感 3个部分 。 其中风速部分是一种新

17、型结构的二维风 向和风速传感器 , 其芯片上集成有运算放大电路 。它 主要由位于绝缘薄膜上的热敏感元件和加热电阻所组 成 , 其中热敏感元件由两组互相垂直且分别对称放置 的铝 多晶硅型热电堆所构成 , 加热电阻位于热敏感元 件的中间 。图 6 集成有运放的二维风速计集成的另一个方向是将多个传感器及其相应的电 路集成在同一个芯片上 , 实现多功能传感器系统 。图 7是密其根大学 1990年研制的多功能气体流速计 13, 将流量 、 气压 、 温度和气体性质的传感集成在同一块芯 7 集成硅热流量传感器 图 7 集成多功能流量计的顶视图和侧视图片上 。 整个传感器的尺寸为 3. 5mm ×

18、5mm , 采用 3mC M OS 工艺线制成 , 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 。 (风向 、 气体性质 路 , 实现恒温加热 , 反 馈环中引入额外电路 , 来检测风速计的工作是否正常 。 从侧视图可以看出 , 芯片电路和传感器的布局合理 , 将 需要额外 ME MS 加工的膜式传感器集中在一起 , 方便 了背部刻蚀工艺的进行 。 1. 6 工艺实现应用标准 C M OS 工艺 , 增加的工序 , 可以被放在标 准的 C M OS 工艺之前或之后 (pre 2C M OS 和 post 2C M OS 或者应用于工艺

19、步骤的中间 。当附加工序应用于 C M OS 标准工序中间步骤的时 候 , 正常工序被打断 , 来进行薄膜沉积或者其他的微加 工步骤 , 多应用 C M OS 技术中的多晶硅表面微加工工 艺实现 。当 C M OS 加工不允许加工过的晶圆进入或者再次 进入工艺线的时候 , 则用 C M OS 后工艺 。对于 C M OS 后工艺通常有两种实现方法 :第一种是将 ME MS 结构 做在完成后的衬底上 , 保持 C M OS 部分不动 , 微机构通 过牺牲层刻蚀进行释放 ; 另一种方法是在标准 C M OS 工艺完成后 , 对 C M OS 层进行一系列 C M OS 兼容的体或者表面微加工 。

20、流量传感器多应用第二种方法 14。 对于微流量传感器重要的微机械加工步骤是在标准的 C M OS 工序完成后 , 进行各向异性刻蚀 , 形成薄膜 , 用 来作为热隔离 。 这种结构多数通过背部或者前部的刻 蚀实现 , 用热氧化层作为刻蚀停止层 , 产生的介质层能 够实现很好的热隔离作为热绝缘层 。如图 8所示 , 为 了形成这种薄膜或者梁的结构 , 具体的刻蚀类型有 5种 15。刻蚀是在 C M OS 工序进行后进行的 , 应用干法或者湿法刻蚀进行加工成为图中所示的 图形 。 将传感器与电路集成的时候 , 必须考虑避免对于金属互连线的刻 蚀 16,17。 有些传感器不需要介质薄膜 来实现绝热

21、, 而是直接用一定厚度的 多孔硅来实现绝热 , 从而避免了刻蚀带来的各种副作用 4。 1. 7 封装实现传感器的封装对于传感器能否被 最终广泛应用十分关键 。 一般为了实 现测量 , 要求传感器暴露在测试环境 中 , 而其中的信号处理电路则要与环境隔离 , , 从而增加了封 图 8 刻蚀类型注 :(a 和 (b 为背部刻蚀 , 其中 (b 用了 C M OS n 阱的化学自停止刻蚀 ;(c 和 (d 为正面刻蚀 , 其中 (d 用了 n 阱的化学自停止刻蚀 , (e 为牺牲层释放的结构。热流量传感器的封装随着不同应用而不同 。通常 , 一维的测量可以在封装的沟道中实现 , 尤其是液体 的测量

22、。 与微泵结合在一起实现流量控制的时候 , 传 感器的流体沟道显得很必要 。 一般制作沟道有很多的方法 18:有晶圆键合法 、 塑料结构或者聚合体键合和 刻蚀沟道等方法来实现沟道 。 而对于二维的流量传感 器则需要全部暴露在外 , 以实现二维的测量 。微流量传感器可以广泛应用于测量气体或者液体 的微流量 。 也可以和微泵结合在一起实现流量控制 。 其中热损失型流量传感器 (热线式和热膜式 一般地 讲 , 测量范围比较大 ; 而热温差式通常在测量范围不大 的时候 , 灵敏度和分辨率比较高 。而热脉冲传递时间 的流量传感器 , 不适合于低流速测量 。2 结束语热流量传感器经历了多年的发展 , 逐渐

23、走向了成品 化的道路 , 但也存在着许多的不足 , 有待于进一步提高 : 微热流量传感器普遍的缺点是反应时间比较 长 。 通常微流量传感器的反应时间比传统的机械流量(下转第 12页 8 测控技术 2003年第 22卷第 4期图 5降低了成本 。系统采用键盘和 LC D 作为人机对话窗 口 , 具有良好的人机界面 , 并能实时显示输出波形及其 参数 , 方便操作 , 增强了操作者和微处理器之间的对话 能力 。 系统具有自检 、 自诊断功能 , 能够及时和准确地 确知仪器故障发生的部位和特征 , 不仅方便了维修 , 而 且保证了输出的可靠性 。系统配有标准接口 , 具有远 地输入输出能力 , 可纳

24、入自动测试系统中工作 。据此 方案为某电子仪器仪表公司所研制开发的多功能智能 函数信号发生器 , 具有新颖 、 结构简单 、 高性能 、 操作控 制灵活的特点 , 具有很大的市场开发 、 应用前景 。 参考文献 :1 赵茂泰 . 智能仪器原理及应用 M.北京 :电子工业出版社 ,1999. 2 常新华 , 林春勋等 . 高频信号发生器原理、 维修与鉴定 M.北京 :电子工业出版社 ,1996.3 T MS320C2XX 高速数字信号处理原理与应用 Z.北京闻亭科技发 展有限公司 ,1998.4. 51北京 :电子工业出版社 , 张 , J.电子 3 -53. 新编实用数字化测量技术 M.北京

25、:国防工业出版社 , 1998.7 庞晓晖等 . 高速数据采集系统的设计与实现 J.仪器仪表学报 , 2000, (6 :440-4438 杨欣荣 , 凌玉华等 . 现代测控技术与智能仪器 M.湖南 :湖南科学 技术出版社 ,1995. (上接第 8页 传感器要大得多 , 一般为 2ms 以上 。而最快的传统流 量计可以达到 0. 1ms 。而为了提高反应时间 , 必须减 少热容 。 将更多的电路集成在传感器芯片上 , 实现输出 数字化 。 将自测试电路和自校电路集成到芯片上 , 从 而提高芯片的稳定性 。 工艺上实现与 C M OS 兼容 , 从而降低成本 、 提高 重复性和传感器性能 。

26、并重点解决微机械加工时互连 线的保护问题 。 进一步解决封装问题 , 微传感器封装问题一直 是微传感器进入市场的“ 瓶颈” , 因此开发新的封装结 构显得尤为必要 。参考文献 :1 Van Putten ,M iddelheok S. Integrated silicon anem ometer J.E lectronic Letters ,1974, (10 .2 张昭勇 , 秦明 , 黄庆安 . 硅热流量传感器的研究与发展 J.电子器 件 ,2001,24(1 .3 E lwenspoek M. Thermal flow micro sens orsA.Semiconductor C on

27、 ference C.1999-02.4 K altsas G,Nassiopoulou A G. N ovel C 2M OS com patible m onolithic silicon gas flow sens or with porous silicon thermal is olationJ.Sens or and Actua 2 tor A ,1999, (76 .5 Van Herwaarden A W ,Van Duyn D C ,Van Oudheusden B W ,et al. Inte 2 grated therm opile sens orsJ.Sens ors

28、and Actuators A ,1990, (22 . 6 T ong Q Y,Huang J B. A novel C M OS flow sens or with constant chip tem 2 perature operation J.Sens ors and Actuators A ,1987, (12 .7 Y u D , Hsich H Y and Z emel J N. M icrochannel pyroelectric anem ometer J.Sens ors and Actuator A ,1993, (39 .8 Joshi S G. F ow sens o

29、rs based on surface acoustic waveJ.Sens or and Ac 2 tuators A ,1994, (44 .9 Bedrich , H osticka J. C M OS sens or systems J.Sens or and Actuator A , 1998, (66 .10 Huang Q T ,M enolf C ,Hammerschmied C. A M OSFET 2only interface for integrated flow sens or J.Circuits and Systems ,1996, (4 .11 M ayer F ,Haberli A ,Jacobs H ,et al. S ingle 2chip C M OS anem ometerA. E lectron Devices M eetingC.1997.12 M akinwa K,Huijsing J