一種基于高速柔性薄膜電子的CMOS溫度傳感器

夏 怡， 張曉林， 申 晶

(北京航空航天大學(xué) 北京 100191)

引 言

在航空航天領(lǐng)域中，無論是飛機和發(fā)動機的自動監(jiān)測控制，還是自動尋的和導(dǎo)航，都需要傳感器提供各項敏感參數(shù)，為航天器的安全飛行和航天員的安全保駕護航，而采用新材料、新工藝、新技術(shù)對傳統(tǒng)的航天傳感器進行改進和發(fā)展，是航天測控傳感器發(fā)展的重要方向。比如將柔性電子傳感器用于機身機翼蒙皮，可在飛行過程中傳遞具體的局部信息，通過對航空航天復(fù)合結(jié)構(gòu)的健康狀況(如溫度、應(yīng)變、損傷、疲勞等)進行實時監(jiān)測，來預(yù)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷及剩余壽命，同時做好對航天員體液生化指標(biāo)的在線檢測與監(jiān)測工作，盡可能消除隱患，減少災(zāi)難性意外事故的發(fā)生。

柔性電子作為一個新興的研究領(lǐng)域，已在某些方面取得了一定的成果。國內(nèi)外針對柔性電子材料制備、柔性電子器件設(shè)計與應(yīng)用等方面已開展了大量的基礎(chǔ)研究工作[1]，目前世界上最快的硅柔性晶體管截止頻率可達5GHz[2]。柔性電子與傳統(tǒng)電子技術(shù)最根本的區(qū)別在于以柔性基板代替剛性基板，其設(shè)計難點是要在大形變下仍保持結(jié)構(gòu)和功能的完整性，這主要取決于電子電路的結(jié)構(gòu)形式、材料以及兩者的優(yōu)化匹配[3]。目前實驗研究的柔性電子系統(tǒng)的元器件和產(chǎn)品尺寸較少涉及微電子層面，且普遍偏重于對材料力學(xué)性能(如延展性)的研究。產(chǎn)品在性能上也遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)方式制作的硅芯片，運行速度甚至相差了幾個數(shù)量級?，F(xiàn)已得到初步發(fā)展的柔性襯底微機電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanic System)傳感器雖具有較好的彎曲性和延展性，但相對芯片而言，它更易受到工藝和封裝的限制，且成本高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)[4，5]。德國斯圖加特電子研究院開發(fā)出一種名為chipfilm的超薄芯片制造技術(shù)，它以硅為主要材料，從底層開始制造超薄芯片，有望成為一種顛覆性的解決辦法[6，7]。

鑒于以上背景，本文設(shè)計了一種基于高速柔性薄膜電子的溫度傳感器，從傳感器電路結(jié)構(gòu)形式及其與材料優(yōu)化匹配的角度出發(fā)，采用敏感元件探頭與處理電路分隔的模式，增加了電路實際應(yīng)用場景的靈活性;選用適于做成貼合復(fù)雜表面的大面積傳感檢測陣列的薄膜鉑電阻作為敏感元件;后端則選取適于高速柔性薄膜電子應(yīng)用場景的超薄集成電路作為轉(zhuǎn)換元件。后仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換電路能夠完成后端信號調(diào)理放大的功能，共模抑制比大于85dB;溫度傳感器能夠完成測溫的功能且線性度良好，可測量-50℃～90℃范圍內(nèi)的溫度，靈敏度4.8mV/℃，精度 0.12%，功耗 2.04mW(1.8V 電源電壓)。

1 電路設(shè)計與分析

1.1 總體設(shè)計思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如何將傳感器的功能與柔性薄膜電子的特征相結(jié)合，是本文研究的關(guān)鍵。不論是敏感元件的選取，還是電路的制造工藝，其設(shè)計思路應(yīng)與普通剛性電路相區(qū)別。具體設(shè)計方案:前端選用薄膜敏感元件作為探頭，植入柔性材料中;后端采用高性能的集成電路作為轉(zhuǎn)換和處理單元;選用柔性薄膜電子器件，以硅為基底材料實現(xiàn)柔性薄膜芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由恒流源驅(qū)動電路為鉑電阻傳感器供電，將溫度引起的阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓枯敵觯ㄟ^儀表放大電路對檢測出的微弱電壓變化量進行放大，進而完成對電壓值的采集和讀取。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 敏感元件及測量方法分析

薄膜鉑電阻是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的一種新型微傳感器，它具有體積小、熱響應(yīng)時間短(一般在0.1s～0.3s)、測溫范圍大(-200℃ ～+850℃)、穩(wěn)態(tài)精度高、線性度好、靈敏度高、機械性能好且便于與集成電路相結(jié)合等特點，滿足高速柔性薄膜電子的需求，可實現(xiàn)復(fù)雜高曲率物體表面和小間隙場所等的快速溫度測量。將薄膜鉑電阻制作于可彎曲的柔性襯底上，可做成貼合復(fù)雜表面的傳感器乃至大面積檢測陣列。目前已有相關(guān)文獻闡述了柔性襯底薄膜鉑電阻的工藝及測溫方法[8]。

恒流法測量原理如圖2所示。

1.3 轉(zhuǎn)換電路分析

轉(zhuǎn)換電路設(shè)計的難點在于，柔性薄膜在形變過程中會產(chǎn)生較大的共模干擾，從而對后端信號采集和調(diào)理電路提出了高共模抑制比、高輸入阻抗等要求[9]。本文選用儀表放大電路作為后端信號轉(zhuǎn)換電路的基本形式，它除了具有高精度、高共模抑制比的特點外，還具有輸入阻抗大、輸出受集成運放失調(diào)及漂移影響較小的特點[10～12]，電路原理圖如圖3所示。

圖2 恒流源驅(qū)動電路原理圖(Rt為薄膜鉑電阻)

圖3 儀表放大電路原理圖

總的放大倍數(shù)為

可以看出，電路的增益是通過合理設(shè)計電阻參數(shù)來控制的[13]。由于本文中芯片的供電電壓是1.8V，權(quán)衡測量范圍和靈敏度等因素，確定該溫度傳感器測量的溫度范圍大致為-50℃ ～90℃。由于Pt100的熱敏度近似為0.385Ω/℃，所以熱敏電阻阻值的變化范圍是80Ω～135Ω。如圖2所示，通過恒流源對其提供約0.13mA的電流，則鉑熱電阻兩端的電壓變化范圍是10.4mV～17.55mV。因此，考慮設(shè)計放大倍數(shù)為100倍。由于前級放大器要抑制噪聲影響，因此放大倍數(shù)應(yīng)較小，設(shè)定為5倍左右，而后級放大器放大20倍。

1.4 運算放大器設(shè)計

本文采用兩級運算放大器結(jié)構(gòu)，由一、二級放大電路，偏置電路和相位補償電路組成。電路原理如圖4所示。

2 后仿真結(jié)果

圖5是本文溫度傳感器轉(zhuǎn)換電路的芯片版圖，尺寸為175μm×180μm。版圖設(shè)計中要充分考慮柔性薄膜的形變特性，綜合器件排列和彎曲半徑等因素;將溝道較寬的MOS管拆分成小單元并聯(lián)的叉指結(jié)構(gòu)，更好地匹配電路;同時通過雙層電源環(huán)保護結(jié)構(gòu)減少信號串?dāng)_和襯底噪聲影響。

圖4 運算放大器電路原理圖

本文仿真基于SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工藝。圖6為儀表放大電路增益頻率響應(yīng)后仿真曲線。結(jié)果表明，開環(huán)直流增益為39.81dB，與設(shè)計的100倍放大倍數(shù)基本一致。圖7為儀表放大電路共模增益頻率響應(yīng)后仿真曲線。綜合兩條曲線可算出，低頻時儀表放大電路的共模抑制比為87.85dB，性能良好。圖8為輸出電壓Uo-薄膜鉑電阻阻值Rt后仿真曲線?？梢钥闯?，兩者基本滿足線性關(guān)系，輸出電壓值大約以0.0125V/Ω的斜率遞增，線性度良好。線性擬合后的直線方程為

圖5 溫度傳感器后端轉(zhuǎn)換電路版圖

圖6 儀表放大電路增益頻率響應(yīng)后仿真曲線

由式(2)得，靈敏度為0.0125V/Ω。由于 Pt100的熱敏度近似為0.385Ω/℃，因此靈敏度近似為4.8mV/℃。由鉑熱電阻阻值80Ω～135Ω的范圍可算出，對應(yīng)的溫度測量范圍為-50℃ ～90℃，再通過Pt100分度表進行標(biāo)定即可從輸出電壓直接得到當(dāng)前溫度值。

圖7 儀表放大電路共模增益頻率響應(yīng)后仿真曲線

圖8 輸出電壓-薄膜鉑電阻阻值后仿真曲線

3 結(jié)束語

本文從傳感器電路結(jié)構(gòu)形式及其與材料優(yōu)化匹配的角度出發(fā)，選取適于柔性薄膜應(yīng)用場景的薄膜鉑電阻作為前端敏感元件，設(shè)計實現(xiàn)了一種與之相匹配的基于超薄柔性芯片工藝的后端轉(zhuǎn)換集成電路，并基于SMIC 0.18μm CMOS工藝完成了電路的設(shè)計與仿真驗證工作。

信號調(diào)理電路的共模抑制比可達87dB，適用于基于高速柔性薄膜電子的信號處理，具有一定的抗干擾能力。溫度傳感器電路能夠測量-50℃ ～90℃范圍內(nèi)的溫度，線性度、精度良好，功耗較低，靈活性較強。

[1]Jeong J W，Lee Y D，Kim Y M，et al.The Response Characteristics of a Gas Sensor Based on Poly-3-hexylithiophene Thin-film Transistors[J].Sensors and Actuators B:Chemical，2010，146(1):40 ～45.

[2]Yuan H C，Ma Z，Celler G K.Flexible RF/Microwave Switch-PIN Diodes Using Single-crystal Si-nanomembranes[C].IEEE/MTT-S International Microwave Symposium，2007:1027～1030.

[3]許 巍，楊金水，王 飛，等.含曲線型膜基界面的高分子基金屬薄膜延展性能[J].固體力學(xué)學(xué)報，2011，32(1):1～9.

[4]Lee C Y，Lee S J，Shen C C，et al.Fabrication of Flexible Micro-sensors and Flow Field of Stainless Steel-based Microreformer by Micro-electro-mechanical-systems Process[J].Journal of Power Sources，2009，193(1):150 ～154.

[5]Patil S B，Chu V，Conde J P.Performance of Thin Film Silicon MEMS on Flexible Plastic Substrates[J].Sensors and Actuators A:Physical，2008，144(1):201 ～206.

[6]Burghartz J N，Appel W，Rempp H D，et al.A New Fabrication and Assembly Process for Ultrathin Chips[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2009，56(2):321 ～327.

[7]Burghartz J N，Appel W，Harendt C，et al.Ultra-thin Chip Technology and Applications，a New Paradigm in Silicon Technology[J].Solid-State Electronics，2010，54(9):818 ～ 829.

[8]肖素艷.基于聚酰亞胺襯底的柔性MEMS技術(shù)及在傳感器中的應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2007.

[9]Wu R，Makinwa K A A，Huijsing J H.A Chopper Current-feedback Instrumentation Amplifier with a 1mHz Noise Corner and an AC-coupled Ripple Reduction Loop[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2009，44(12):3232 ～3243.

[10]蔡延財，劉 勇，陳永冰，等.基于儀表放大器的傳感器信號采集電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(6):63～65.

[11]Fan Q，Sebastiano F，Huijsing H，et al.A 1.8μW 1μV-offset Capacitively-coupled Chopper Instrumentation Amplifier in 65nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011，46:1534 ～1543.

[12]Denison T，Consoer K，Wesley Santa，Al-Thaddeus Avestruz，John Cooley，and Andy Kelly.A 2μW 100nV/sqrt(Hz)Chopper Stabilized Instrumentation Amplifier for Chronic Measurement of Neural Field Potentials[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2007，42(12):2934 ～2945.

[13]Babaei B and Mirzakuchaki S.High CMRR，Low Power and Wideband Current-mode Instrumentation Amplifier[C].IEEE Norchip Conference，2006:121～124.