流量測量對于工業、醫療和生物應用非常重要，其中MEMS熱式流量傳感器由于其低成本、緊湊尺寸和低功耗而適用于這些應用。尤其是CMOS-MEMS技術的進步使得電路與傳感器直接集成成為可能，從而提高了熱式流量傳感系統的性能。由于MEMS熱式流量傳感器中不含可移動的微結構，因此它們可以通過單片或混合集成的方式輕松地與CMOS技術中的專用集成電路（ASIC）集成。這種集成不僅提高了傳感系統的信噪比，而且優化了芯片面積的利用率，從而降低了總體開發成本。
據麥姆斯咨詢報道，近日，深圳大學電子與信息工程學院許威副教授課題組和美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的林立偉教授組成的聯合研究團隊提出了一種具有片上溫度補償功能的系統級模型，用于CMOS-MEMS單片熱式流量傳感系統級芯片（SoC）。該模型涵蓋機械、熱和電學領域，以促進EDA軟件平臺上MEMS傳感器和CMOS接口電路的協同設計。該溫度補償策略通過可變溫差加熱電路在片上實現。實驗驗證表明，在0–50℃的環境溫度范圍內和0–10 m/s的流量范圍內，該流量傳感器的溫度漂移降至±1.6%，而恒溫差電路的流量傳感器的溫度漂移為±8.9%。因此，這種片上溫度補償的CMOS-MEMS流量傳感SoC有望用于呼吸監測和智能節能建筑等低成本傳感應用領域。上述研究成果以“System-level modeling with temperature compensation for a CMOS-MEMS monolithic calorimetric flow sensing SoC”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
圖1a顯示了單片集成CMOS-MEMS熱式流量傳感SoC的示意圖。該系統包括兩對對稱放置的上游和下游熱敏電阻（Ru1、Ru2、Rd1和Rd2）和一個位于中心的微加熱器（Rh），全部由 P+多晶硅層制成。此外，它還包含一個可變溫差（VTD）控制電路和一個低噪聲電流反饋儀表放大器（CFIA）讀出電路，如圖1b所示。整個流量傳感SoC采用中芯國際（SMIC）0.18 μm 1P6M CMOS技術設計和制造，而MEMS傳感器結構則通過內部開發的post-CMOS工藝制造。
圖1 CMOS-MEMS熱式流量傳感SoC的設計和系統級建模
圖1b左側顯示了帶有負反饋環路的可變溫差電路。在此設計中，惠斯通電橋中電阻R1/R2和(Rr + Rc)/Rh的比率配置為k = 5:1。為確保穩定和精確的反饋，運算放大器（OPA，圖2a）設計為具有108.6 dB的高增益和62.8°的相位裕度。同時，如圖2b中的1.5 kΩ電阻負載模擬所示，OPA設計為能夠向微加熱器提供3.1 mW的最大功率。
圖1b右圖部分顯示的讀出電路由兩個熱敏電阻對和一個CFIA（圖2c）組成的惠斯通電橋構成。
圖2 MEMS傳感器接口電路及其性能
為了優化設計，必須建立微加熱器和熱敏電阻的等效電路模型（ECM）。這使得MEMS結構能夠與ASIC電路協同設計，從而促進機械、熱和電氣領域的完全耦合仿真。為了構建熱敏電阻的ECM，需要確定微加熱器在給定工作溫度下受到流體流動時周圍的溫度分布。為此，研究人員提出了一種考慮MEMS流量傳感器關鍵傳熱行為的分析熱模型，如圖3a和3b所示。
圖3c所示的計算流體動力學（CFD）仿真驗證了所提出的熱模型的準確性。如圖3d所示，CFD仿真和一維熱模型都顯示出一種良好的匹配趨勢，即熱輸出（ΔT）隨流體流量（U）從0 m/s至10 m/s的變化而增加。
圖3 MEMS流量傳感器的結構設計與性能分析
基于所提出的系統級模型，利用Cadence Virtuoso平臺中的Spectre仿真器實現CMOS-MEMS流量傳感SoC的系統級優化。圖4展示了在初始設計的恒溫差（CTD）模式下（設置Rc0?=?750?Ω、αc?=?0），微加熱器的過熱溫度模擬結果，以及SoC輸出信號隨環境溫度從0?℃到50?℃范圍內的變化情況。仿真結果通過在0?℃、25?℃和50?℃條件下的CFD結果結合低噪聲電流反饋儀表放大器讀出電路進行了初步驗證，從而確認了系統級模型的準確性。
圖4 不同環境溫度下，CMOS-MEMS流量傳感SoC在恒溫差模式下的模擬過熱溫度ΔTh和系統輸出Vout
用于驗證片上溫度漂移策略的傳感器通過內部設計的post-CMOS工藝制造（圖5a），隨后在氮氣流溫度室中進行測試（圖5b和5c）。圖6顯示了流量傳感SoC在溫度補償前后測得的過熱溫度和系統輸出。實驗結果表明，無論是補償還是非補償的情況，其輸出趨勢均與系統級仿真結果相符。
圖5 流量傳感SoC的制造和實驗設置
對于該流量傳感SoC的最終輸出，在0–50℃的環境溫度范圍內，未補償傳感器系統在9 m/s時的溫度漂移為±8.9%，而經過片上補償后，溫度漂移在10 m/s時降至±1.6%。與圖4b中的系統級仿真結果類似，由于低噪聲電流反饋儀表放大器的擺幅范圍有限，在0℃以下，未補償系統的傳感器輸出中觀察到高速流的早期飽和，如圖6b所示。然而，如圖6d所示，應用溫度補償方案后，0℃和50℃曲線均與25℃曲線一致，從而緩解了9-10 m/s流量范圍內的飽和問題。
圖6 不同環境溫度下，流量傳感SoC在恒溫差和可變溫差模式下的過熱溫度ΔTh和系統輸出Vout的比較
綜上所述，這項研究提出了一種基于EDA軟件平臺的系統級仿真模型以及片上硬件電路的溫度補償技術，用于優化單片CMOS-MEMS熱式流量傳感SoC。該方法涉及將流量傳感器中的微加熱器和熱敏電阻建模為等效電路模型，并構建了一種涵蓋機械、熱和電學領域的多物理系統級仿真模型。隨后，線性規劃（LP）模型被用于確定關鍵補償電阻的參數選擇范圍。通過系統級仿真和實驗驗證，溫度補償的效果得到了評估。最終，該研究成功地將系統的溫度漂移降至±1.6%以內（測試溫度范圍為0–50?℃），并實現了在?10到10?m/s范圍內的雙向流量測量。這種高性能熱式流量傳感SoC的開發有望滿足工業、物聯網（IoT）和醫療保健應用中的精確流量監測需求，具有巨大的社會和經濟效益潛力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00853-8
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