微機(jī)電系統(tǒng)溫度傳感器研究進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀綜述

張 弛，楊曉亮，唐 瑞，吳 洋

（重慶材料研究院有限公司，重慶400707）

1 引言

MEMS 溫度傳感器隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展與成熟，在與薄膜技術(shù)結(jié)合基礎(chǔ)上，能為薄膜傳感器提供更為微小的襯底結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸可達(dá)微米量級(jí)，為快速溫度測(cè)量提供了熱容更小的襯底，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及溫度場(chǎng)造成影響和外加擾動(dòng)。本文綜述了幾種典型MEMS 溫度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比分析了不同種類MEMS 溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。得出的結(jié)論為：MEMS 溫度傳感器的溫度響應(yīng)速度快，配置以高采樣率動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，擬達(dá)到毫微秒級(jí)別的數(shù)據(jù)采集能力，從而實(shí)現(xiàn)高速率瞬態(tài)溫度測(cè)量。國(guó)內(nèi)外研究普遍存在幾大難點(diǎn)，即可靠的高溫柔性襯底材料技術(shù)、高溫穩(wěn)定的敏感材料技術(shù)、表面MEMS 微制造技術(shù)和高溫絕緣包封技術(shù)等[1-4]。

2 MEMS 溫度傳感器的基本原理和品種及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 MEMS 溫度傳感器概述

MEMS 溫度傳感器是一種以微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems）為主要載體，利用ⅠC 電路中的高集成性和CMOS 工藝的成熟性的特點(diǎn)而制成的新型微機(jī)電非接觸式溫度傳感器，比傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器體積小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)速度快、操作安全、精度高。其中，由于CMOS 工藝在集成電路領(lǐng)域的成熟性，因此擁有成本低、與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字工藝兼容、集成度高、功耗低以及芯片面積小等傳統(tǒng)傳感器所不具備的優(yōu)點(diǎn)，可以集成更多的信號(hào)感知、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、處理和控制等功能，現(xiàn)已成為智能溫度傳感器的主流工藝技術(shù)。

2.2 MEMS 溫度傳感器主要種類及其原理

MEMS 溫度傳感器大致可分為BJT 基溫度傳感器、MOSFET 基溫度傳感器、環(huán)振蕩基溫度傳感器三類[5]：①BJT基溫度傳感器又稱雙極晶體管溫度傳感器，是根據(jù)BJT 的二極管中基極-源極之間的電壓VBE的溫度特性來(lái)測(cè)量溫度。其中又因?yàn)閮蓚€(gè)相同晶體管的VBE差值表現(xiàn)為正溫度系數(shù)，與溫度或集電極電流的特性無(wú)關(guān)，ΔVBE即與絕對(duì)溫度成正比（PTAT），可得到溫度與電壓的對(duì)應(yīng)測(cè)量曲線圖像[3]。②MOSFET 基溫度傳感器是基于外部電場(chǎng)作用下晶體管內(nèi)部產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)的智能溫度傳感器，利用了MOSFET 本身正負(fù)溫度系數(shù)這一特性，在絕大多數(shù)情況下都認(rèn)為MOSFET管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這意味著MOSFET 的導(dǎo)通電阻阻值隨著環(huán)境溫度的上升而增加，利用這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)的基于MOSFET 的溫度傳感器[6]。③環(huán)振蕩基溫度傳感器的設(shè)計(jì)思想是以環(huán)形振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率隨溫度升高而升高的時(shí)鐘信號(hào)，由于閾值電壓和載流子遷移率隨溫度升高而減小，可通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)生成的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)而得到溫度值。振蕩器的震動(dòng)頻率會(huì)受VDD變化的影響。

2.3 MEMS 溫度傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域

因?yàn)镸EMS 溫度傳感器高集成性、體積小、質(zhì)量小、成本低、功耗低、可靠性高、易批量生產(chǎn)、可實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)而被大范圍應(yīng)用于生物醫(yī)療、工業(yè)測(cè)溫、汽車電子等領(lǐng)域。

在生物醫(yī)療方面，基于MEMS 溫度傳感器而設(shè)計(jì)的體溫檢測(cè)儀相比于傳統(tǒng)的體溫計(jì)，成本并不算高，但卻具備更先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)告功能，微處理器會(huì)自動(dòng)上傳患者體溫?cái)?shù)據(jù)并匯總在云端數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，方便醫(yī)務(wù)人員更好了解病人情況。

在工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域，新型的MEMS 溫度傳感器的無(wú)接觸式測(cè)溫相較于傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器具有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器，比如熱電阻、熱電偶、PN 結(jié)溫度傳感器等需要與被測(cè)介質(zhì)保持熱接觸，而根據(jù)不同的測(cè)溫范圍對(duì)其材料有很高的要求。非接觸式的新型MEMS 溫度傳感器無(wú)需與被測(cè)介質(zhì)接觸，其通過(guò)捕捉被測(cè)介質(zhì)的熱輻射或其他方式傳到溫度傳感器，以達(dá)到測(cè)溫的目的，且由于體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)而得到了大量的應(yīng)用。

在汽車電子領(lǐng)域，在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)上搭載的新型MEMS溫度傳感器的測(cè)溫器以體積小、質(zhì)量小、精度高的特性優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器，而其自身采用的A/D 轉(zhuǎn)換特性輸出數(shù)字信號(hào)到汽車的電子表盤上相較于傳統(tǒng)的指針儀表板人車的交互性更好，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確和明顯，故障率更低。

3 MEMS 溫度傳感器的研究、發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 MEMS 溫度傳感器研發(fā)歷程[2]

國(guó)際上對(duì)MEMS 溫度傳感器的研究大致從20 世紀(jì)60年代開(kāi)始。1968 年，VERSTER 研究[7]出利用雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE的負(fù)溫度特性與ΔVBE的正溫度特性實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生溫度感應(yīng)信號(hào)。之后，人們根據(jù)如何產(chǎn)生ΔVBE繼續(xù)進(jìn)行了大量的研究，實(shí)現(xiàn)了利用雙極工藝原理而研制的集成溫度傳感器?？蛇@類溫度傳感器具有一項(xiàng)缺陷，就是其不具備數(shù)字處理接口，靈活性較差，而且與較為流行的CMOS工藝相比，雙極工藝集成度偏低，芯片面積大，制造成本也偏高。從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，集成電路制造的主流逐漸由CMOS 工藝占據(jù)。1989 年，MEⅠJER 在文章中[8]率先提出具有真正現(xiàn)代意義的CMOS 溫度傳感器。因?yàn)镃OMS 工藝的成本較低，使得采用CMOS 工藝的溫度傳感器制造成本也大大降低。又由于CMOS 工藝的特性，系統(tǒng)的集成度也同時(shí)得到了提升。近年來(lái)隨著CMOS 工藝的進(jìn)一步發(fā)展，基于CMOS 工藝也研制出了不同的結(jié)構(gòu)MEMS 集成溫度感器。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這類MEMS 溫度感器的誤差和功耗越來(lái)越小[9]。

3.2 MEMS 溫度傳感器研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在主流的MEMS 溫度傳感器設(shè)計(jì)思路是在搭載的智能CMOS 片上集成由溫度傳感電路及其接口電路組成的一個(gè)溫度傳感器系統(tǒng)[10]。接口電路一般由偏置電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。溫度傳感電路中的電流信號(hào)或電壓信號(hào)即由偏置電路產(chǎn)生，溫度感應(yīng)元件的選取是溫度傳感電路的設(shè)計(jì)核心，溫度感應(yīng)元件在溫度傳感電路中產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電流、電壓或者時(shí)間信號(hào)。集成電阻、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、CMOS 工藝下的雙極晶體管（BJT）是目前常用的溫度感應(yīng)元件。溫度傳感器中的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出則由數(shù)字處理模塊完成，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是其最常見(jiàn)的方法。

2005 年P(guān)ERTⅠJS 等人在文獻(xiàn)中[11]提出了一種結(jié)合BJT與二階sigma-delta ADC 實(shí)現(xiàn)的溫度傳感器，其誤差僅為±0.1 ℃，但卻存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單面積功耗較大等缺點(diǎn)。2013 年SHAHMOHAMMADⅠ等人[12]論述了一種基于集成電阻的溫度傳感器，用于MEMS 頻率補(bǔ)償。這種溫度傳感器的測(cè)量靈敏度達(dá)到了6 mK，其誤差為±0.15 ℃。2015 年ANAND 等人[13]設(shè)計(jì)的溫度傳感器在65 nm 的工藝下完成，其誤差為±0.9 ℃。2014 年蔣玉龍教授[14]設(shè)計(jì)了一種溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)基于BJT 與SAR ADC 設(shè)計(jì)，測(cè)溫誤差為±1℃。2017 年，YOUSEFZADEH 等人[15]設(shè)計(jì)的溫度傳感器，在溫度感應(yīng)以及偏置電路等多部分采用先進(jìn)技術(shù)消除誤差。其設(shè)計(jì)的溫度傳感器誤差僅為±60 mK，是目前有報(bào)道的溫度傳感器中誤差最小的。

在現(xiàn)代芯片上的熱管理中，緊湊和快速的溫度傳感器是最需要關(guān)注的兩個(gè)方向。目前已報(bào)道的文獻(xiàn)中，均缺少相關(guān)的解決方案，普遍存在功耗較大、處理復(fù)雜和成本較高等缺點(diǎn)。2018 年，報(bào)道了采用28 nmFD-OⅠCMOS 工藝開(kāi)發(fā)的225 μm2探針單點(diǎn)校正的嵌入式數(shù)字溫度傳感器有望在未來(lái)大范圍應(yīng)用[16]。

3.3 MEMS 溫度傳感器產(chǎn)業(yè)情況

薄膜技術(shù)最先發(fā)展于德國(guó)，二戰(zhàn)期間，HACKE[17]首次提出薄膜熱電偶概念，將其用于測(cè)量子彈射出后槍膛壁的溫度變化，彼時(shí)薄膜厚度為2 μm 左右；美國(guó)NASA Lewis 研究中心采用MEMS 技術(shù)，濺射出5～8 μm 的PtRh13 熱電偶電極，制出了測(cè)溫1 100 ℃、測(cè)量誤差±0.3 ℃的薄膜傳感器，滿足了航空航天環(huán)境下的快速測(cè)溫需要；1996 年英國(guó)RR 公司利用Pt-Rh/Pt 薄膜熱電偶測(cè)量薄壁導(dǎo)向器葉片1 200 ℃的溫度分布。美國(guó)PW 公司研制出膜厚2～12 μm 的PtRh10/Pt濺射式薄膜熱電偶，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒室試驗(yàn)。

目前，比較成熟的MEMS 溫度傳感器主要來(lái)自ADⅠ、德州儀器（TⅠ）、美信等國(guó)外主流半導(dǎo)體廠商。其中，德州儀器生產(chǎn)的溫度傳感器在20 ～40 ℃時(shí)的最大誤差為±0.13 ℃，主要用于人體測(cè)溫。但該產(chǎn)品需要外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器等數(shù)字處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理[18]。國(guó)內(nèi)也有數(shù)家單位在此方面投入研究，比如中北大學(xué)、電子科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)49 所等，但研發(fā)技術(shù)比較滯后，涉及的產(chǎn)品和專利較少。近來(lái)年，國(guó)內(nèi)各大傳感器領(lǐng)域知名廠商以微機(jī)電系統(tǒng)MEMS 技術(shù)為基礎(chǔ)的智能傳感器亮也相各大展會(huì)[6]。有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)COMS 溫度傳感器2013～2020 年市場(chǎng)占有額年均增長(zhǎng)46.16%，預(yù)計(jì)2020 年達(dá)到9.6 億美元[19]，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間。

3.4 MEMS 溫度傳感器發(fā)展情況

對(duì)于主流的3 種溫度傳感器來(lái)說(shuō)，各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。BJT 基溫度傳感器由于BJT 良好的溫度特性，這種溫度傳感器可以達(dá)到很高的精度，且成本低、穩(wěn)定性高、靈敏度高、可預(yù)測(cè)性高，以及相關(guān)溫度的時(shí)間非依賴性是其較顯著的優(yōu)點(diǎn)。但是受工藝容差和自身成熟度的影響，相比其他類型的溫度傳感器面積和功耗較大，但近些年來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)有很大的改善，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。

用MOSFET 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單快捷、成本低、工藝成熟、集成度高等，缺點(diǎn)是實(shí)際操作中還需考慮莫氏管本身自帶的內(nèi)部電阻r0，即需代入溝道長(zhǎng)度模型分析，而內(nèi)部電阻阻值也會(huì)隨著環(huán)境溫度的改變而變化，導(dǎo)致其精密性下降，最終測(cè)得結(jié)果與理論值有一定的偏差。

環(huán)振蕩器的線路簡(jiǎn)單、使用方便、成本低、起振容易、可調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，如果不加延遲網(wǎng)絡(luò)就不需要阻容元件，非常適合于集成化。但環(huán)振蕩器如果沒(méi)有延遲網(wǎng)絡(luò)頻率，則不便于靈活選擇，而且環(huán)振蕩器所需芯片面積和成本相比其他設(shè)計(jì)不占優(yōu)勢(shì)。因此，基于環(huán)振蕩器的線路設(shè)計(jì)的溫度傳感器主要應(yīng)于對(duì)內(nèi)部集成要求不高的工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域。

4 結(jié)論

MEMS 溫度傳感器與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，其具有體積小、靈敏度高、誤差小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，加之其可以大規(guī)模生產(chǎn)制造，所以成本低。這使得MEMS 溫度傳感器有了逐漸取代傳統(tǒng)溫度傳感器的優(yōu)勢(shì)，在微型化、智能化程度越來(lái)越高的各電子領(lǐng)域更為明顯。因此，研究應(yīng)用各智能領(lǐng)域的MEMS 溫度傳感集具有十分重要的意義。

MEMS 溫度傳感器其發(fā)展水平已成為衡量個(gè)國(guó)家是否具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要標(biāo)志，MEMS 溫度傳感器市場(chǎng)新一輪增長(zhǎng)已經(jīng)啟動(dòng)，正處于技術(shù)突破發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)形成的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。目前，傳感器中微小型化和智能化趨勢(shì)明顯，此需求將大力推動(dòng)溫度傳感器向以CMOS 為主流的MEMS 溫度傳感器發(fā)展。