[其他]CMOS恒温集成流量传感器

说明书

本发明属于半导体集成电路领域。

在传感器领域，人们正在进行深入探讨和研究，对自然界中的各种信息是如磁、光、红外、压力、气、化学、湿度等用传感器将这些信息量转换成电信号再由电子计算机进行信息处理。由于半导体传感器具有体积小、成本低、可靠性高和易于集成等优点，越来越受到人们的关注。在已有的半导体流量传感器中，采用双极型晶体管〔1〕或电阻〔2〕来作为对芯片的加热，它们需要复杂的驱动电路。而且控制芯片温度恒定的运算放大器没有集成到同一芯片上，其中放大器控制芯片和流体的温度差，且未能实现单片集成，或者需要专门的差分放大器来放大信号。

已有的半导体流量传感器，制备工艺复杂，难以获得工艺的重复性，成品率低、成本高。有的采用ZnO淀积工艺，有的采用双极型工艺制备流是传感器，与目前成熟的大规模集成电路主流工艺MCS工艺不相一致，因而不利于制成集成化的、带有信号处理电路的稳定的半导体传感器。另外，已有的半导体传感器均采用下列原理，当流体流过加热的硅片时，测量流速方向上芯片两端的温度差，以此作为流速的量度。因而，灵敏度越高，则要求芯片越大，但这必然使成品率下降，成本增高，尤其是难以实现芯片两端的温度敏感器件的匹配。

本发明的目的在于采用常规的CMOS工艺制成单片集成的恒温的半导体流量传感器。

本发明采用了完全新型的结构原理：当流体流过加热的芯片时，芯片温度就会下降，为使芯片温度恒定，需增加加热功率。本发明采用功率的变化作为流速的量度，因而只需一个温度敏感元件，简化了结构，减小了尺寸(图2)。本发明采用MOS管作为加热元件，这样对驱动电路的要求就大为降低，並且采用CMOS运算放大器控制芯片温度恒定，加热级本身又兼作信号放大级，故灵敏度很高。

在图2中，温度敏感元件(Q₁)和加热元件(Q₂)均采用NMOS管，运算放大器(A)采用CMOS结构。图中的加热元件(Q₂)现工作在亚阈值区，当然加热元件(Q₂)也可工作在导通区，此时只需将图中的运算放大器(A)的正负端相互换。当流体流过芯片时，使芯片温度下降，电流I₁减小，使运算放大器(A)的正端输入电压增高引起加热元件(Q₂)的栅压增高，从而使电流I₂加大，导致芯片温度上升，电流I₁又下降，直到芯片温度回到原来数值。由于运算放大器(A)的放大倍数足够高，故运算放大器(A)的输出信号虽然增大，但反映在其输入端，其值基本不变，所以电流I₁恢复到原来值，意味着芯片温度恒定。输出信号由加热元件(Q₂)及电阻R₂组成的放大级得到放大。

本发明中采用MOS器件作为温度敏感元件，因此只需采用常规CMOS工艺而不需要额外的制备工艺就可制造出本发明的传感器，另外，本发明全部采用MCS器件实现了单片集成，工业上能批量生产，成本低，性能可靠。

本发明可用于各种气体和液体测量，流速的测定，集成电路生产中的工艺实时控制，还可用于其它量(如真空等)的测量。

图1是本发明的结构剖面示意图。其中101是铝，102是多晶硅，103是二氧化硅。

图2是本发明的构成线路图，作为摘要的附图。

图3是本发明中的运算放大器的线路图。

图4是本发明的输出信号V_out与流速V_f的实验关系曲线。

其中T_f是气体的温度，T_c是芯片的温度，V_OFFset是输出信号与5V电源间在流速为零时的失调电压。

图5是本发明的输出信号V_out与时间t的实验曲线。该曲线是在氮气(N₂)流量由0突变到24cm/s时，输出信号V_out的响应曲线，其它符号与图4相同。

实施例：