CMOS热流量风速计恒温差控制环路的研究

第30卷 第5期2007年10月电子器件Ch in es e Jo u rnal Of Electro n Devi cesVol.30 No.5O ct.2007Research on C onstant Temperature Difference (CTD)Model Control Circuit of Thermal Flow Sensor*W U J ian,QI N Ming *,DI N G Gao f ei,SH EN G uang p ing ,L I Cheng z hang(M EM S K e y L aborator y of Ed ucation M inistr y at S outheast Univ ersity ,N anj ing 210096,China)Abstract:The o scillation occurred in the co nstant tem perature difference (CT D)control circuit of CM OS thermal flo w sensor s is analyzed.In o rder to simulate the entir e contr olling lo op by the circuit softw are such as Pspice,a m odel w hich conv er ts the ther mal domain to electr ical do main has been dev elo ped for the thermal sensor.From the analysis,w e can see that the distance betw een the PN junction used to detect the temperature o f the sensor and the r esister used to heat the senso r,and other parameter s such as the ther m al capacity and ther mal resistance o f the chip material can affect the frequency of the control lo op g reatly.In order to adjust the frequency of the loo p for co ntro lling the chip temper ature accurately and for optim i zing the performance o f the m easurement circuit,the parameter s m entioned abov e should be selected care fully.Finally,the ex periment is done and it verifies the sim ulation results.Key words:CM OS;flow senso r;constant tem perature differ ence;unstable mo del EEACC :2575CMOS 热流量风速计恒温差控制环路的研究*吴 剑,秦 明*,丁高飞,沈广平,李成章(东南大学M EM S 教育部重点实验室南京210096)收稿日期:2006 12 18基金项目:国家自然科学基金(60476019);江苏省 青蓝 工程资助项目作者简介:吴 剑(1982 ),男,硕士研究生,东南大学M EM S 教育部重点实验室,主要从事传感器信号的检测与控制方面的研究,no sw or d4518@sina.co m;秦 明(1967 ),男,教授,博士生导师,主要研究方向为CM O S M EM S 传感器设计和研究,mqin@.摘 要:分析了恒温差控制模式在CM O S 热流量风速计中遇到的振荡问题.为了能够用Pspice 等电路软件对环路进行分析,建立了传感器热域到电域的转换模型.分析可知,检测芯片温度的PN 结与加热电阻间的距离以及芯片材料的热容和热阻等参数对恒温差控制环路的工作频率有很大的影响.为了调节环路的振荡频率使它能更好的控制芯片温度并且优化测风速和风向时的性能,对上述芯片的参数都要仔细选取.实际电路测试验证了仿真结果.关键词:CM O S;风速计;恒温差;振荡模式中图分类号:TN405文献标识码:A 文章编号:1005 9490(2007)05 1571 04采用M EMS 工艺设计制造热风速计已获得了广泛的研究[1 2].风速计需要先通过加热,然后测量由于风速引起的芯片表面温度变化(恒功率工作模式下)或者加热功率的变化(恒温差工作模式下)来得到风速和风向信息.恒功率控制方式的电路相对比较简单,但是测量量程较小.恒温差模式则比恒功率模式有更多的优点:芯片温度比环境高出一个固定值,因此输出和环境原理上无关,可以更好地解决温漂问题,具有较大的测量范围.但是,恒温差控制电路的典型结构如图.1所示.Dchip 和Dref 分别是检测芯片和环境温度的两个PN 结,R0用于设定一个初始状态使放大器的正端电压高于负端.Rheat 加热芯片,Dchip 的正向导通压降随着芯片温度的增高而降低,最后放大器正负端输入电压相等时达到平衡.为了能够有比较严格意义上的恒温差控制,这两个敏感元件要有很好的匹配,而且封装时要求两个靠近且一个测风一个测环境温度而不被风速影响,因此对封装有很高的要求.更重要的是,为了能够严格的控制芯片的温度,恒温差控制环路要求放大器有较高的增益(最好是理想的比较器),但此时整个环路很可能是工作在振荡状态[1].振荡的原理从原理图以及根轨迹(图.2)可看出来,图中传感器用两阶的系统来模拟,在大的增益下,根轨迹跨过虚轴,系统不再稳定[2].测风速时,这种振荡不会成为很大的问题,甚至在文献[1 2]中用的就是这种振荡模式来得到风速信息.但测风向时,由于风向信息是芯片上面温度分布的差值,硅是热的良导体,据文献[3],传感器在表面风速的影响下,温差最多是设定温差的1%,所以风向信号非常微弱,很容易受振荡的影响,因此需要特殊的技术来处理这一问题,如调高振荡频率使热脉冲能够被芯片的本征热容完全滤波[4].图1恒温差控制电路图2 恒温差控制环路不稳定性的分析原理图在整个恒温差的控制回路当中,传感器在热域的带宽很窄,因此传感器的这一特性也就决定了整个加热回路的振荡频率.本文根据恒温差控制的特性,建立了传感器从热域到电域的Pspice 模型,成功实现了仿真分析.1 传感器的Pspice 模型传感器是通过热反馈来控制整个环路平衡的,因此无法用Pspice 等电路软件直接仿真.把传感器热域特性转换到电域来分析,文献[2]中就有提及,但是上述建模只适合理论分析芯片特性,不适合把控制电路和建模后的模块一起用Pspice 仿真.为了很好的仿真控制环路的工作状态而且简化模型,对传感器如下建模:假定风速计芯片为圆形,厚l (500 m),半径r(3m m).如图3把芯片划分为o ut 0~out 9十个部分(圆的半径平均划分),圆环宽为d ,即d =r /10.为了方便起见,我们只考虑两维的情况,即假定硅纵向没有温差不考虑硅的纵向热传导.图3 硅片的划分和建模热容和质量相关,因此我们先求质量最小的部分o ut 0的热容:C =m 0c s = d 2lc s J/K (1)其中 为硅的密度;!为硅的热导率;c s 为硅的比热.m 1= [(2d)2-(d)2]l = 3d 2l =3m 0(2)所以out 1的质量是out 0的3倍,从而其他部分(o ut 1、out 2!)的质量分别是out 0部分的3倍、5倍、7倍!所以得到的热容分别为3C 、5C 、7C !19C.相邻两个部分间热阻的大小和它们传热截面积有关,所以out 9和out 8间的热阻最小,设温差在这两个部分的中央之间,热量通过他们之间的截面传导:1R 1=!2 (0.9r)l dK/W (3)其他几个热阻按热传导截面面积之比简单计算得到分别为9R 1/9、9R 1/8、!9R 1.从传感器的试验数据可知芯片和环境间温差为20∀时功耗为几十到几百毫瓦量级[5],假定芯片上面每一个部分的散热和它的面积成正比,所以可以根据试验数据可以估算出芯片各部分对环境的热阻19R 、19R/3、19R /5!R K/W 的值.从而得到传感器PSPICE 模型如图4.图4 传感器模型原理图最后得到的控制环路如图5所示.Rheater 有电流通过时,它对芯片以一个恒定的功率提供热量,因此它可以用类似压控电流源(heater )的abm (ano log behav io r m odel)来模拟1572电 子 器 件第30卷图5 传感器热域到电域转换后的控制环路Rheater 的热功能,在加热时间段内,heater 以功率(5-V Q o ut )/R heater 为芯片提供热量,热量通过传感器上的热阻对不同部分的热容充电并通过和环境间的热阻把热量传导到空气中.同样,Dchip+R #的abm 模拟芯片上面的PN 结和用来设定温差的电阻.实际的比较器要实现完全的翻转需要毫伏级的电压,PN 结的温度系数为-2mV/K,这意味着芯片的温度有大约1∀的波动才能保证比较器翻转,显然是一个很大的值,为了减小这个温度波动可以在比较器的前端加全差分的放大结构先把信号放大再输入比较器.2 控制环路仿真与试验结果检测芯片温度的PN 结在中央(out 0).由于在工艺中很容易改变加热电阻和检测点间的距离,而且该间距与芯片表面的温度场分布密切相关,所以首先分析这个距离对振荡特性的影响.在上述仿真电路中就是选择模拟加热脉冲的heater 输出在不同结点对控制环路频率的影响.图6和图7给出的分别是加热点在out 9和out 5时控制环路的部分波形,从仿真结果可知,检测点和加热点之间的距离对控制环路的工作状态有很大的影响:当加热点离检测点较远的时候,环路的振荡频率比较低,芯片上面的温度波动也比较大;反之加热点离检测点较近的时候,环路的振荡频率比较高,因为高频热脉冲更容易被芯片的本征热容滤波,所以芯片上温度波动也比较小.加热电阻和检测点间的距离对控制回路振荡频率的影响如图8所示.图6 加热点在O ut9时环路中部分结点的波形根据传感器的基本结构,设定out 3结点为加热点进行其他参数的分析.图9给出的是控制环路振荡频率和参数C 之间的曲线.参数C 表征的是上述硅片不同部分热容,实际工艺中可以选择不同材料的衬底或者改变硅片结构(如硅片减薄、背面腐蚀图7 加热点在Out5时环路中部分结点的波形图8 加热点和芯片温度检测点距离和环路振荡频率的曲线等)来改变该值的大小.图9 等效电容C 和环路振荡频率的曲线从仿真的结果可知,C 变大时,V out 3频率变低,但是幅值基本不变.因为V ou t 3表示的是芯片的温度,所以从热的角度看就是用热容小的材料温度波动的频率会变高,但是波动峰值不变.值得注意的一点就是热容变低不能使芯片温度的稳定性变好,因为虽然热波动频率变高利于滤波,但是因为热容的降低也会使芯片对热脉冲的滤波能力下降.用大热容的传感器响应时间也会变长.选择其他材料的衬底或者改变硅片结构显然也可以改变芯片不同部分(out 0、out 1!)间热阻的大小,参数R 1对控制环路工作特性的影响如图10所示.图10 芯片材料热阻变化时对芯片温度(在模型中是电压)波形的影响从仿真的结果可知,芯片材料的热导率对温度的稳定性影响很大,当热阻R 1变小时,芯片温度波动的频率会变大,幅度也会变小,有利于芯片温度的稳定.但是,芯片热阻变小会使芯片上面由于风速引起的温度场分布的不平衡变小,而这正是判断风向的依据,因此这样不利于风向的判断.芯片和环境间的热传导对控制环路也有影响,1573第5期吴 剑,秦 明等:CM OS 热流量风速计恒温差控制环路的研究根据模型,R 代表了传感器和环境间的热阻,分析结果如图11.图11 热阻的等效电阻R 和环路振荡频率的曲线R 逐渐变小的意思就是芯片对环境的散热变大.从仿真的结果以及分析可知,当芯片散热变大(R 减小)时,环路振荡频率变高.继续增大芯片的散热量,这时热脉冲即使一直加热也已经不能维持芯片的恒定温差的工作模式,工作环路进入恒功率工作状态(图中没有示出).R 变大也会使芯片能够输出稳定信号的响应时间变长.实际芯片中,R 的值由芯片和环境间的温度差以及风速来决定.热脉冲功率对控制环路影响见图12(对Rheater 大小的分析).图12 加热电阻(调节热脉冲功率)和环路振荡频率的曲线降低热脉冲的功率会使芯片温度波动频率升高幅值下降,因此适当的降低热脉冲的功率有助于芯片温度稳定,但是也不可以把热脉冲的功率降低得太多,因为那样有可能会使芯片的响应时间变长甚至热脉冲不能维持芯片的恒温差工作状态,整个恒温差环路进入恒功率模式,该结果同芯片对环境有过多的散热相似.从上面的分析我们可以知道,为了让传感器温度波动减小来提高测风速和风向的性能,可从控制电路和传感器的设计两个方面考虑.降低环路的放大倍数有利于稳定,但是这是以很多性能的退化为代价的,甚至工作模式退化到恒功率模式,这时会有很大的温漂和量程限制,因此不可取.另一种方法是仔细地选择电路的参数,使热脉冲能够被芯片的本征热容低通滤波,荷兰的热流量M EMS 风速计用的就是这种原理,它选择的振荡频率为10kH z.为了验证上述模型的正确性,在现有的条件下我们对该环路进行了试验测量验证,测量的芯片为本实验室设计的风速计芯片,电路即为上面仿真中的电路.在无风和风速约2m/s 两种情况下测得V (out)的波形如图13.从测量的结果可知控制环路的振荡频率300多赫兹,而且这个频率会随着芯片对环境散热的增加而有变高的趋势,与仿真结果一致.图13 在无风和有风的情况下对恒温差控制环路工作状态的试验波形(上,无风;下,有风)3 结论工作在恒温差模式下的风速计有很多优点,从理论和试验得知,这个环路在大多情况下都是工作在振荡模式下的.为了更清楚的了解各个参数对控制环路振荡频率的影响、选择合适的工作频率使传感器测风速风向的性能最优,我们需要对这个环路仿真分析.但是由于反馈是热域的,因此是无法直接用电路软件来分析.本文首先建立了热反馈的等效电路模型,然后用Pspice 进行了分析.仿真的结果和实际试验的测试数据在数量级上吻合的很好,而且也从工作频率随芯片对环境热阻的降低(加大芯片表面对流)而变大这一角度验证了建模的可行性.本模型很好的仿真了整个恒温差控制模式的工作状态以及各个参数对恒温差控制环路工作状态的影响,对实际芯片结构的设计和恒温差控制电路的设计有很重要的指导意义.参考文献:[1] Pan Y,H uijs ing J H ,New Integrated Gas Flow S ens or withDu ty Cycle Outpu t[J ],Electronic letters ,24(9):1988.[2] Verhoeven H uib ert Jan and H uijs ing Johan H,Design of Integrated T herm al Flow Sen sor U sing T hermal Sigma Delta M od ulation [C]//International Conference on Solid State Sensors an d Actu ators,Jun e 1995.[3] Neda T,Nk amu ra K,T ak umi T.A Polysilicon Flow S ens orfor Gas Flow M eters [J ].Sensors an d Actuators A,1996(54):626 631.[4] M akinw a K A A ,Huijsing J H,Industrial Design of a SolidState W ind S ens or[C]//S ens ors Indus try Conference,Novem ber 2001.[5] 程海洋,秦明,高冬晖,朱昊.热薄膜温差型CM OS 风速风向传感器的研究和实现[J].电子器件,2004.9.1574电 子 器 件第30卷。