CMOS兼容的风速传感器和系统电路的设计

摘要

随着CMOS MEMS工艺的进步，人们努力尝试采用这种工艺来制作传感器，这种传感器体积小、功耗低、灵敏度高、携带方便；而且可以批量生产降低成本。因此，基于硅的风速传感器正成为研究的热点。同时，采用标准CMOS工艺，可以将电路和传感器集成在同一芯片上，最终实现片上系统(SOC)。 本文提出的二维风速传感器是基于热原理设计的，可以同时测量风速和风向，该结构是基于标准CMOS工艺进行加工的。硅风速传感器的整个结构完全对称，结构主要由加热单元和测温单元组成，加热单元采用多晶硅制作；测温单元是由铝和多晶硅组成的热偶，它基于自产生效应，也就是说不需要电能将热信号转化变成电信号。在控制电路中，通过测量加热条上的电压来反应风速的大小；同时，可以通过测量两个垂直方向上对应热偶的输出差的比值可以得到风向的大小。 本论文从理论上分析了热风速传感器的工作原理，并采用有限元工具ANSYS对传感器进行了细致的模拟，并从模拟结果分析比较了传感器的两种不同的控制方式：恒温差控制方式和恒定功率控制方式，并且分析了传感器的输出特性和几何尺寸的关系，给出了优化尺寸；同时分析二维传感器两个垂直方向输出随风速的关系，提出了三角函数测量风向的局限性，介绍了圆形加热条风速传感器。 传感器片上电路集成有控制电路和片上放大电路，本论文主要介绍给这些电路提供基准电压的带隙基准电路。基于基准电路的温度补偿的原理，着重分析了产生基准电压电路的工作原理，并通过H-spice软件对电路进行了仿真，优化了电路。 本论文的风速传感器结构在标准的CMOS工艺上加工而成的。并对传感器进行了全面的测试，整体的测试结果基本符合预期要求，实现了CMOS兼容。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1课题背景

1.2本论文的主要工作

1.3本章小结

第二章风速传感器的工作原理

2.1风速传感器中的热量

2.2边界层理论

2.3风速传感器的三种工作原理

2.3.1热脉冲型风速传感器

2.3.2热损失型风速传感器

2.3.3热温差型风速传感器

2.4风向的测试原理

2.5传感器设计的性能指标

2.6本章小结

第三章风速传感器的设计与分析

3.1二维热流量传感器的设计

3.1.1衬底材料的选择

3.1.2热敏感元件的设计

3.1.3加热元件的设计

3.1.4布局设计

3.2传感器的结构优化

3.2.1传感器的有限元模型

3.2.2传感器的两种控制方式

3.2.3两种控制方式下温差和风速的关系

3.2.4热电偶和加热条距离对灵敏度的影响

3.3风向测试

3.4基于热偶的二维风速传感器结构

3.5本章小结

第四章风速传感器的电路设计

4.1基准电压的概念

4.2基准源设计的理论基础

4.2.1负温度系数电压

4.2.2正温度系数电压

4.2.3温度补偿的方法

4.3带隙基准源系统架构设计

4.4实际的基准电压电路结构

4.5输出电压的大小

4.6电路的仿真设计

4.7基准电路设计尺寸

4.8本章小结

第五章CMOS风速传感器的工艺及版图

5.1风速计的工艺设计

5.1.1具体的工艺流程

5.1.2风速传感器CMOS工艺流程示意图

5.2 CMOS风速传感器的版图设计

5.3基准电路的版图设计

5.4流体传感器的后道腐蚀工艺

5.5本章小结

第六章CMOS兼容风速传感器的测试

6.1风速计的控制与测试电路

6.2风速计的测试装置

6.3测试结果

6.4本章小结

第七章结束语

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士期间发表的论文及专利

致谢