东南大学硕士学位论文摘要利用成熟的集成电路（ＩＣ）ＣＭＯＳ工艺及其新近发展的ＭＥＭＳ工艺能够在硅片上利用后处理制作各种机械结构，并为传感器和处理电路的片上集成，实现最终的片上系统（ＳＯＣ）提供了现实依据。ＣＭＯｓ兼容硅热流量风速风向传感器利用成熟的ｃＭ０ｓ工艺而实现传感器的低成本，同时能够通过片上控制电路和微弱信号测量电路与传感器结构的集成而可能实现智能化的传感器。基于硅的传感器灵敏度非常低，输出信号极其微弱，所有这些弱点都必须通过片上集成电路来弥补。本文针对传感器的工作原理，详细分析并设计了传感器的控制电路和传感器的微弱信号检测电路。本文采用的传感器是本实验室设计的采用温差型的测量原理，采用某种控制，将传感器表面加热，使之高于环境一定温度，通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生的片上温差而得到风速和风向的信息。在控制电路设计中，主要讨论了三种模式，分别是恒功率模式，恒温差模式和温度平衡模式，针对传感器的结构和性能要求进行了恒温差控制电路的设计，在风速的测量范围内，通过闭环控制保持芯片温度高于环境温度设定值。通过仿真电路能够实现设计的功能。鉴于传感器采用热堆测量温差，输出信号为非常微弱的低频信号（在微伏量级），一般的ＣＭＯＳ工艺放大器由于严重的失调和噪声（特别是１／ｆ噪声）而无法胜任，需要设计片上低失调低噪声放大器，本文分析了现在两种主要的低失调低噪声电路技术（分别为自动补偿Ａｕｔｏ—ｚｅｒｏ和斩波Ｃｈｏｐｐｉｎｇ）对失调和噪声的影响，具体针对传感器的信号要求进行了斩波放大电路的调制，预放，带通选择放大器，电压跟随和解调等各个部分的设计，电路使用Ｈｓｐｉｃｅ进行了仿真优化，达到了微伏量级的残余失调和７０ｎ矿／胁输入等效噪声ＰＳＤ。
设计的电路经过５／．ａｎＰ阱标准ＣＭＯＳ工艺流片。流片的电路进行了测试，并分析了存在的不足而改进了设计，进一步投入流水。本文同时还使用ＰＣＢ构建版级控制和测量电路风速测量电路，传感器经过风洞测试，达到了２３ｍ／ｓ的测量范围，并且３６０度内方向敏感，进一步证明了控制和信号检测方案的可行性。同时，芯片的流片也为实验室的片上电路集成进行了有益的探索，取得了宝贵的经关键词：ＣＭＯＳ工艺兼容风速计，恒温差控制，低失调低噪声放大器，斩波放大器东南大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｔｈＣＭＯＳｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｓｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｎｅｗｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｍａｎｙｍｅｃｈａｎｉｃａ】ｓｔｒｕｃｔａｒｅｓｃａｎｂｅｍａｄｅｉｎｓｉｌｉｃｏｎｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．Ｔｈｉｓｐｒｏｄｕｃｅｄｎｅｗｆｉｅｌｄｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓ．Ｉｔｉｓｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｏ—ｃａｌｌｅｄＳＯＣ（ＳｙｓｔｅｍＯｎａＣｈｉｐ）ｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｌｓｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｉｎｏｎｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．ＣＭＯＳｓｉｌｉｃｏｎｔｈｅｒｍａｌｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒｗｉｍＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｓｖｅｒｙｃｈｅａｐ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｗｉｔｈｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｏｎｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｃａｎｒｅａｌｉｚｅｓｍａｒｔｗｉｎｄｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎｈａｖｅｖｅｒｙｌｏｗｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓａｒｅｕｌｔｒａｗｅａｋ．Ａｌｌｔｈｅｓｅｗｅａｋｎｅｓｓｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｍａｋｅｕｐｂｙｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｏｎｔｈｅｓａｍｅｃｈｉｐ．／ｎｔｈｅｓｉｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅａｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｎｔｈｅｓｉｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｕｎｄｅｒｍｅｋｉｎｄｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ．ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｈｅａｔｅｄａｂｏｖｅｔｈｅｅｌｌｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｔｈｅｉｎｆｏｆｎｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｖｅｌｏｅｉｔｙａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃａｒｌｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｐｏｉｎｔｓｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙｌｏｃａｔｅｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ．Ｉｎｔｈｅｃｈａｐｔｅｒｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓ．ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｍｏｄｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｙｃｏｎｓｔａｎｔｐｏｗｅｒ，ｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂａｌａｎｃｅｍｏｄｅｓ．Ｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｏｄｅｗａｓｓｏｌｅｃｔｅｄｔｏｍｅａｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｕｎｄｅｒａｃｌｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｌｏｏｐ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｋｅｐｔｆｌｃｏｎｓｔａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｂｏｖｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓ．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｆｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．１１ｌｅｓｅｎｓｏｒｎｓｅｓｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓｔｏｆｆｌｅａｓｎｒｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｓｏｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｉｓｕｌｔｒａｌｏｗｒｍｉｅｒｏ－Ｖｏｌｔ）ａｎｄｖｅｒｙｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．ＴｈｏｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｗｉｔｈｃＭＯｓａｒｅｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｒｓｅｒｉｏｕｓｏｆｆｓｅｔａｎｄｎｏｉｓｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙ１／ｆｎｏｉｓｅ．Ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｎｃｈｉｐｌｏｗｏｆｆｓｅｔｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ．Ｉｎｔｈｅｓｉｓ，ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｌｏｗｏｆｆｓｅｔｌｏｗｎｏｉｓｅｄｅｓｉｇｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｏｎｅｉｓａｕｔｏ—Ｚｅｒｏａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｃｈｏｐｐｉｎｇ．１１ｌｅｃｈｏｐｐｉｎｇａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈｉｔｓｍａｎｙｐａｒｔｓｏｆｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｗｉｔｃｈｅｓ，ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒｂａｎｄ－ｐａｓｓｓｅｌｅｃｔｉｖｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａｎｄｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｗｉｔｃｈｅｓｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈＨＳＰＩＣＥｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌｏｆｆｓｅｔ ｏｆｍｉｅｒｏｖｏｌｔａｎｄｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｉｎｐｕｔ ｎｏｉｓｅＰＳＤｏｆ７０ｎＶ／４ｍ ｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｗｅｒｅ ｔａｐｅｄ ｏｕｔ ｕｓｉｎｇ ５／ｎｎＰｗｅｌｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄｈａｖｅｂｅｅｎ ｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｇａｉｎｆｏｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ． Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅＰＣＢ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｗｅｒｅａｌｓｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅＣＭＯＳ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｔｅｓｔｅｄｕｎｄｅｒｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌ．Ｉｔｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆ０ｔｏ２３ｍ／ｓａｎｄ ｗｉｔｈｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆａｌｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｓｅ ｆａｔｈｅｒｌｙ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｓｉｇｎａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｓｔｉｌｌ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｍｕｃｈｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＣＭＯＳａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ，ＣＴＤｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ＬｏｗｏｆｆｓｅｔｌｏｗｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｆｉｅｒＣｈｏｐｐｉｎｇａｍｐｌｉｆｉｅｒ． ＩＩ 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：超塑！至 东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包 括刊登）授权东南大学研究生院办理。 研究生签名红堡缉一导师签名：二釜翌留一日期：？型 第一耄绪论 Ｉ．Ｉ课题背景和意义 第一章绪论 传感器的殴计历来是人们研究的热点，各式各样的传感器利用机械，热，电磁，声音，霍尔等 等不同的效应将多彩的自然界的各种信息转换成电量，并经信息处理使人们进一步的认识世界，极 大的推动了世界文明的发展。 自从集成电路（Ｉｃ）工艺发明以来，特别是ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ．Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ．Ｓｉｌｉｃｏｎ，互补 场效应管）工艺的问世，得到了人们极大的关注并经历了迅猛的发展。
在短短的几十年的时间内已 趋于完善．硅工艺极大的批量使得昂贵的设计制造成本得到了极大的降低，同时新近的ＭＥＭＳＩｌｌ２Ｊ 工艺（Ｍｉｃｒｏ．Ｅｌｅｃｔｒｏ．Ｍｅｃｈａｎｉｃ．Ｓｙｓｔｅｍ，微机电系统）能够在硅基片上利用ＩＣ后处理工艺制作各种 机械结构，为传感器的设计开辟了新的途径．并为传感器和处理电路的片上集成提供了可能，为最 终的片上系统口１（ＳｙｓｔｅｍＯｎ Ｃｈｉｐ，ＳＯＣ）提供了现实依据。近年来，各种各样的基于ＣＭＯＳ．ＭＥＭＳ Ｔ艺的传感器【４，”不断问诸于世。 测量风速风向的设备自古以来一直受到人们的关注。因其在日常生活中具有非常广泛的用途， 一直是国内外设计的热点。以前．人们利用纯机械的装置来测量，例如，众所周知的利用风速杯来 测量风速，利用风向标来测量风向。虽然这种方法也能得到良好的结果，但这些机械装置因具有移 动部件而易磨损，体积较大，价格昂贵，需要经常维护。近期以来，人们也利用更高端的激光及声 学原理研制风速计，但其非常昂贵的价格限制了它的发展进程。其中发展最为迅速，普遍受到人们 关注的是利用成熟的ＣＭＯＳ集成电路制造工艺及其新兴的ＭＥＭＳ体加工工艺技术来研制硅热流量 传感器【６，７】。
这种传感器的优点是体积小，易于集成化，可批量生产，精度高且不易损坏。它能出色 的应用于风速风向的测量。 基于硅工艺的集成风速风向传感器能够将传感器结构和控制电路，信号处理电路集成于一体， 通过传感器芯片上某一与风速有关的物理效应作为媒介以测量风速风向，在大部分设计中选择温度 这一参量，因为温度参量具有如下诸多的优点： 绝对及相对温度都可以通过片上集成的电路精确测量；而ＣＭＯＳ工艺能够很方便的得到高性能的电路； 流体与加热芯片的热交换理论，著名的金氏定律（Ｋｉｎｇ’ＳＬａｗ）【８１提供了风速和温差的平方根关系，为传感器的设计提供了理论基础； 温差对方向也灵敏，这样能够将风速和风向的测量装置集成在一起，并有可能实现智能化的传感器； 温度可以通过对多晶硅电阻加热获得，这样整个传感器完全可以使用Ｉｃ工艺制作，无需附加工艺（或者附加ＭＥＭＳ后处理），并能实现传感器结构和片上控制和测量电路的 集成，批量生产，成本非常低廉。具有极大的商业潜在价值。 在近三十年的发展历程中，硅热流量传感器得到了迅速发展，目前硅热流量传感器对硅片表面加 热控制已发展为５种主要模式”Ｊ。 恒定温度（ＣｏｎｓｔａｎｔＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＣＴ）工作模式，保持芯片上的温度在整个Ｔ作过程中恒定； 恒定温差（ＣｏｎｓｔａｎｔＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ＣＴＤ）工作模式，保持芯片温度和周围环境温度差恒定； 恒定功率（ＣｏｎｓｔａｎｔＰｏｗｅｒＣＰ）＿亡作模式，保持供给芯片加热器恒定的加热功率，其中包括温度平衡（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＢａｌａｎｃｅ，ＴＢ）模式等 东南大学硕士学位论文信号检测过程中，人们对许多种热敏感元件进行了研究，除了使用非ＣＭＯＳ丁艺风速测量电路，目前使用比较 多的ＣＭＯＳ热敏感元件主要有： １、多晶硅电阻”０】：由ｙ－其制作简单而且易。
Ｆ通过绝缘层与衬底实现热绝缘，因而其应用较多。 ２、二极管…】： 由于它在恒定电流条件下具有良好的温度特性，因此它的应用也相当广泛。 ３、热电堆旧” 热电堆是由多个热电偶串联而组成的。其工作原理主要是利用热电偶所具有的Ｓｅｅｂｅｃｋｌｌ５］效应。因为Ｓｅｅｂｅｃｋ效应的自产生特性（ｓｅｌｆ－ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔ），使得这种敏 感元件具有许多其它敏感元件所不具有的优点，因此其应用最为广泛。 ＣＭＯＳ兼容风速计输出信号检测电路的研究，常常有以下三种形式： 电路位于片外，传感器单独封装，热敏元件输出的信号送到片外电路处理（早期），采用板级电路，这种方式传感器输出的微弱信号容易受到干扰，整个片外电路比较复杂和昂贵。 电路在片上（位于传感器加热区以外）【１“，这种方式首先对传感器的输出信号进行片上预处理再输出片外进一步处理｛通过适当的电路技术，对微弱信号进行良好处理，信号不易 受损害，并且降低成本，还可以实现传感器结构和处理电路分别试制，实现多芯片封装， 但是需要～定的芯片面积。 电路在片上（位于传感器加热区以内）【ｌ“，进行片上信号？导数字化处理再输出。这种处理方式不增加整个风速计芯片面积，同时对信号进行良好处理，直接能够进入数字领域处理， 文献”目采用了这种所谓的热一技术。
但是传感器结构及其控制和信号处理电路集成在 一起，需要工艺支持，难度较大，是今后的发展方向。 针对多晶硅电阻和二极管型热敏感元件的测量，大多组成惠斯通电桥电路来工作，而热电堆型 热敏感元件一般做成对称结构，可以宜接输出测量值亦可通过片上ＡＤＣ转换器来实现数字化输出“…。 热堆的输出信号非常微弱，需要很大倍数的放大以后才能被电子系统所处理，这样就对片上的处理 电路提出了非常严峻的课题，要求传感器片上处理电路具有非常低的抗干扰能力。针对微弱的传感 器输出信号检测，一般ＣＭＯＳ工艺由于其严重的失调和噪声（特别是低频１，ｆ噪声）的限制，很难 胜任，需要采用特殊的低失调低噪声电路技术，目前应用非常广泛的有两种低失调低噪声放大器： Ａｕｔｏｚｅｒｏ（自动补偿）技术口…，这种放大器采用两相不重叠时钟，在第一节拍内输入短接，采样放大器的失调和噪声并保存起来；第二节拍内，放大器输入接传感器的输出信号，原 来采样保存的失调和噪声进行补偿，从而在放大器的输出得到无失调和低频噪声的放大信 Ｃｈｏｐｐｉｎｇ（斩波技术）技术ｍ２“，这种放大器采用调制技术，将近似直流的低频传感器输出信号调制到高频，从而与放大器的失调和低频噪声在频带上错开，经过调制信号频段的 选择放大，再解调回基带而实现无干扰直流放大，斩波放大能克服自动补偿技术由于对热 噪声的欠采样而引起的噪声混迭，从而不会抬高熟噪声水平，更加适合低噪声处理。
自ＶＹＰ．ｖａｌｌＰｕｔｔｅｎ于１９７４年开始研究热损失风速计以来口”，基本上已经开始应用传感器结构和 电路的集成，图１．１为Ｐｕｔｔｅｎ设计的采用多晶硅电阻作为敏感元件的风速计，采用恒电压恒电流加 热，使用双桥，及其惠斯通电桥测量信号，这里仅仅能够测量风速。韩国口ｑ的研究使用ＭＥＭＳ技术， 加热器和测温元件采用金属铂。用恒温差驱动电路控制加热，惠斯通电桥测量风速，对称热敏电阻 测量风向，如图１．２所示。 图Ｉ．１Ｖ．Ｆ．Ｐ．ｖｎＰｕｔｔｅｎ在１９７４年设计的风速计及电桥电路 第一章绪论图１．２韩国研制的采用金属铂作为加热器和测温元件的风速计 图１．３给出了瑞士苏黎士高工黄秋庭教授设计的采用热堆作为敏感元件的风速计”…，风速计经 过了正面腐蚀而提高热效率，片上处理电路采用上述的斩波技术。荷兰Ｄｅｌｆｔ大学电子仪器实验室从 １９８９年以来一直进行ＣＭＯＳ兼容风速计的研究”…，先后采用了片外电路，片上电路等多种研究，电 路技术分别从Ａｕｔｏ—ｚｅｒｏ，Ｃｈｏｐｐｅｉｎｇ到热一技术，最终于２００１年推出产品，如图１．４所示。 图１．３瑞士苏黎士高工黄秋庭教授设计的风速计 图１．４荷兰Ｄｅｌｆｔ大学电子仪器实验室研制的风速计 本实验室对于硅热流量传感器的研究由来已久，目前主要采用了对称热堆作为热敏感元件。
本 文将针对这种传感器的工作原理，重点探讨硅热流量传感器的工作模式（控制方法），介绍实现传感 器信号采集处理的技术问题及其实现电路形式。 １．２本论文的主要工作 ＣＭＯＳ兼容风速风向传感器是国家“８６３”项目“气象检测微系统”（包括风速风向传感器，湿 度传感器、压力传感器等）的一个子项目。它测量风速风向的信息，输出微弱的电压信号，经过低 失调低噪声放大，并经过ＡＤＣ（ＡｎａｌｏｇＤｉｇｉｔａｌＣｏｖｅｔｅｒ，模数转化器）获得数字化的信号，迸一步 处理，用于气象服务，同时用于灯塔船，游船，渔船等各类船只，园艺温室等环境，安全工业其至 海军等各类军事行动方面也具有广泛的应用前景。 ＣＭＯＳ兼容风速风向传感器的主要研究工作如图１．５所示。 图１．５ＣＭＯＳ兼容风速风向传感器主要工作。本论文主要针对实验室的基于热堆的对称结构ＣＭＯＳ兼容风速风向传感器设计控制电路和检测 电路，具体的上作如下： 针对传感器输出的低频微伏量级的输出信号，分析了两种主要的低失调低噪声放大技术，分别为Ａｕｔｏ—ｚｅｒｏ（自动补偿）技术和Ｃｈｏｐｐｉｎｇ（斩波技术），具体进行了斩波放 大器的分析和设计。 针对５微米Ｐ阱标准ＣＭＯＳ工艺，具体计算了Ｓｐｉｃｅ仿真模型，并制定了流片工艺流程，完成了电路的版图设计和流片。
针对流片结果进行了一定的测试和分析，并对传感器进行了版级测试，针对测试结果进行了分析和展望。 针对设计电路，进行了详细的总结，并提出了改进的措施，为以后项目的进一步开展提供了建议和意见。 本文首先浅谈了课题的背景和意义。第二章主要介绍基于热的ＣＭＯＳ兼容风速风向传感器的工 作原理和结构并进一步提出了对电路的要求。第三章分析了传感器的主要控制方式，并具体实现了 恒温差控制模式的设计与仿真。第四章主要讨论了当前应用最广泛的两种低失调低噪声放大技术， 分别讨论了它们对失调和噪声（包括热噪声和１／ｆ噪声）的影响，并完成了斩波放大器的设计。第 五章针对５微米标准ＣＭＯＳ工艺，制定了流片工艺流程并完成了控制电路和信号检测电路的版图。 第六章对流片结果进行了分析并在版级对传感器进行了测试，进行了测试结果的分析。撮后对设计 进行了总结并给出了意见和展望。 １．３本章小结 ＣＭＯＳ兼容风速风向传感器具有非常深远的应用价值和商业价值，它利用成熟的ＣＭＯＳ工艺实 现批蹙生产，从而实现传感器的低成本，同时能够通过片上控制电路和微弱检测测量电路与传感器 结构的集成，有可能实现智能化的传感器。由于硅基传感器灵敏度非常低，输出信号非常微弱，所 有这些弱点都必须通过片上集成电路来弥补，从而决定了本论文开展工作的重要性。
本章具体综述 了热流量风速计的发展，控制模式和微弱信号测量电路。下一章介绍ＣＭＯＳ兼容风速计的结构和工 作原理，针对温差型测量原理，提出了恒温差控制电路方案，同时提出了风速计的设计指标和微弱 信号检测电路的设计要求。 第二章ＣＭＯＳ风速计的结构和工作原理 第二章ＣＭＯＳ兼容风速计的结构和工作原理 ２．１ ＣＭＯＳ兼容风速计的结构分析 ＣＭＯＳ兼容（或ＭＥＭＳ）集成风速计的工作原理主要有两种，分别是热损失型风速计…和热温 差型风速计”）．４】，他们具有不同的结构。 图２．１给出了ＣＭＯＳ加ＭＥＭＳ工艺的热损失风速计的结 构，在硅片的表面覆盖着一层绝缘绝热层氮化硅Ｓｉ，Ｎ。，在上面制作一定阻值的金属铂电阻，该铂电 阻上通过一定的电流加热，作为加热器，同时铂电阻对温度敏感，又可以作为热敏感元件，采用电 桥，可以测量在风速的影响下的温度变化。图２．１（ａ）给出了剖面示意图，图（ｂ）给出了表面删 照片，可以看出， 为了减少加热电阻区域的热量向四周及硅片衬底的传导，在硅片衬底上，腐蚀出 一个悬浮膜，从而提高了热效率。 图２．１热损失风速计示意图，（ａ）剖面图，（ｂ）ＳＥＭ照片本实验室设计的是温差型的基于ＣＭＯＳ工艺的风速风向传感器ｐＪ，采用热堆构成热敏感元件， 如图２．２所示，其中图２．２（ａ）给出了风速计的结构平面图，（ｂ）给出了剖面示意图。
整个传感器 由标准ＣＭＯＳ工艺完成。在图２．２（ｂ）的剖面示意图中，位于四个方向上的垂直分布的加热电阻由 多晶硅制成，其阻值均为２００Ｑ，用作加热器。设计中在每个加热电阻上面覆盖一层与之相接触的 铝条，剧以将其产生的热量传导到传感器的表面，在风吹过后，增加有效的强迫对流分量，这种结 构能够提高传感器的灵敏度。四个ｐｏｌｙ／Ａｌ热堆的热端靠近相应的加热条，冷端连在一起与衬底接触， 用来作为测温元件。这种结构使得该热堆既能提供控制信号，同时又能产生输出与风速风向相芙的 读出信号。每个热堆由１５根相同的热电偶串联而成，这样它的输出信号将是单个热电偶的１５倍， 每个热堆的内阻为１０ＸＱ。由于热电偶是一个自产生元件，当传感器表面没有风经过时，整个芯片 表面四个方向上的温度呈现平衡的分布，对称点上的温差为零，相对热堆的差模信号输出为零。这 一点优于那些采用集成晶体管对或者热敏电阻作为测温元件的设计。整个传感器结构制作在集成电 路工艺的场氧化层上，因为二氧化硅的热导率大约是硅的１／７０，从而减小向村底的热传导。 图２．２ＣＭＯＳ兼容热温差风速计示意图（ａ）结构示意图：（ｂ）剖面示意图（ＰＮ结未画出）。
２．２ＣＭＯＳ兼容风速计的工作原理 ２．２．１热损失风速计 传统的热损失型风速计设计通过测量芯片表面向流体传递的热量多少来测量风速，芯片上的加 热器常常采用热敏电阻，这样如果恒定的功率（恒功率控制）耗散在加热器上，随着风速的增加， 向风中传递的热量增加，从而会引起加热器温度下降，热敏电阻阻值变化。通过电路的处理能够得 到风速的大小。同样也可以采用恒温差控制，保持芯片表面温度高于环境一定温度，风速增大，要 保持设定温度差，耗散的热量必须增大，耗散热量表达式如（２－１）所示【９］ｏ （２．１）其中，口表示通过热传导向流体和衬底的热传导，口厩表示对流传热，ＡＴ表示温度变化量， 通过测量热损失功率Ｏ可以得到温度变化量。从而可以得到风速信息，这种传统的测量热损失的方
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