感测热式气体流量传感器MEMS芯片端及线性补偿电路的制作方法

本发明涉及mems工艺半导体器件及cmos半导体器件相关，尤其涉及mems热式气体流量传感器及其补偿电路。

背景技术：

1、传统mems热式流量传感器含有两个部分：中心加热丝与加热补偿电路构成的气体流速感应器，以及对中心加热丝加热圈进行测量的输出传感器。此结构的输出线性度在低气体流速下较好，在高气体流速下加热丝的加热能力被快速流过的气体逐渐削弱，因此传统mems热式气体流量传感器在对高流速气体测量时会出现敏感度与线性度下降的问题。当今对于此问题的解决办法多为后端补偿，如使用计算机或mcu对传感器输出电压值进行重新标定并计算。对于传统的基于数字计算系统补偿算法实现方式，此计算方法复杂，且实现需要较高成本，不可被应用于对体积功耗成本要求较高的情况。

技术实现思路

1、本公开所要解决的一个技术问题是：提高输出电压线性度目的。

2、为解决上述技术问题，本公开实施例提供一种感测热式气体流量传感器mems芯片端，包括：衬底，所述衬底为单晶硅晶向100晶圆，还包括：中心加热丝101、第一温度敏感电阻式传感器1021、第二温度敏感电阻式传感器1022、第一bjt双极型晶体管组合、第二bjt双极型晶体管组合和隔热桥106；所述中心加热丝101位于隔热桥106上的中心对称轴位置；在所述隔热桥106的底部有绝热腔体105，所述绝热腔体105沿中心加热丝101排布方向的垂直方向两端与隔热桥106相连；绝热腔体105的外部为衬底；所述第一温度敏感电阻式传感器与第二温度敏感电阻式传感器串联构成半臂惠斯通电桥且分别位于中心加热丝101两端等距位置且位于隔热桥上，所述第一bjt双极型晶体管组合和所述第二bjt双极型晶体管组合分别位于绝热腔体105沿中心加热丝101排布方向两侧的衬底上；所述第一bjt双极型晶体管组合和所述第二bjt双极型晶体管组合与电热丝距离相等，所述第一bjt双极型晶体管组合分别包括第一bjt晶体管和第二bjt晶体管，其中第一bjt晶体管的n个基础bjt晶体管单元集电极和基极分别短路且并联，第二bjt晶体管的m个基础bjt晶体管单元集电极和基极分别短路且并联；第一bjt晶体管的n个基础bjt晶体管单元发射极分别并联，第二bjt晶体管的m个基础bjt晶体管单元发射级分别并联；所述第二bjt双极型晶体管组合分别包括第三bjt晶体管和第四bjt晶体管，其中第三bjt晶体管的n个基础bjt晶体管单元集电极和基极分别短路且并联，第四bjt晶体管的m个基础bjt晶体管单元集电极和基极分别短路且并联；第三bjt晶体管的n个基础bjt晶体管单元发射极分别并联，第四bjt晶体管的m个基础bjt晶体管单元发射级分别并联；n大于等于2，m大于等于1。

3、在一些实施例中，所述第一bjt双极型晶体管组合为第一pnp型bjt晶体管组合1031；所述第二bjt双极型晶体管组合为第二pnp型bjt双极型晶体管组合1032；所述第一pnp型bjt晶体管组合1031和所述第二pnp型bjt双极型晶体管组合1032具有相同结构。

4、在一些实施例中，所述绝热腔体105的绝热腔呈倒棱台形。

5、在一些实施例中，还包括环境温度传感器104和电热丝恒温差控制模块，所述环境温度传感器104用于与电热丝恒温差控制模块相连，中心加热丝101、第一温度敏感电阻式传感器1021和第二温度敏感电阻式传感器1022为铂金属，隔热桥106为二氧化硅或氮化硅。

6、为解决上述技术问题，本公开实施例还提供一种感测热式气体流量传感器线性补偿系统，包括上述感测热式气体流量传感器mems芯片端，还包括：第一环路、第一分流电路、第二环路和第二分流电路；第一环路的第一输出端接至第一bjt晶体管的输入端，第一环路的第二输出端接至第二bjt晶体管的输入端；第一环路分流端与第一分流电路输入端相连，第一分流电路的输出端接至第一温度敏感电阻式传感器1021的输入端；第二环路的第一输出端接至第三bjt晶体管的输入端，第二环路的第二输出端接至第四bjt晶体管的输入端；第二环路分流端与第二分流电路输入端相连，第二分流电路的输出端接至第二温度敏感电阻式传感器1022的输入端。

7、在一些实施例中，还包括环路启动器；环路启动器分别驱动第一环路和第二环路运转；第一环路包括第一电压控制电流发生器、第一电压求差器和第一负载阻抗，第一电压控制电流发生器的第一电流输出端流经第一负载阻抗和第一bjt晶体管，第一电压控制电流发生器的第二电流输出端流经第二bjt晶体管；第一负载阻抗和第一bjt晶体管的电压之和输出端接至第一电压求差器的第一输入端，第二bjt晶体管的电压输出端接至第一电压求差器的第二输入端，第一电压求差器的输出端接至第一电压控制电流发生器的控制端；第二环路包括第二电压控制电流发生器、第二电压求差器和第二负载阻抗，第二电压控制电流发生器的第一电流输出端流经第三bjt晶体管，第二电压控制电流发生器的第二电流输出端流经第二负载阻抗和第四bjt晶体管；第三bjt晶体管的电压之和输出端接至第二电压求差器的第一输入端，第二负载阻抗和第四bjt晶体管的电压输出端接至第二电压求差器的第二输入端，第二电压求差器的输出端接至第二电压控制电流发生器的控制端；所述第一分流电路为第一电流放大器，所述第二分流电路为第二电流放大器；第一电压求差器的输出端接至第一电流放大器的输入端，第一电流放大器的输出端与第一温度敏感电阻式传感器1021非串联端相连，第二电压求差器的输出端接至第二电流放大器的输入端，第二电流放大器的输出端与第二温度敏感电阻式传感器1022非串联端相连。

8、为解决上述技术问题，本公开实施例还提供一种感测热式气体流量传感器线性补偿系统，包括上述感测热式气体流量传感器mems芯片端，还包括：第一环路、第一复制电路、第二环路和第二复制电路；第一环路的第一输出端接至第一bjt晶体管的输入端，第一环路的第二输出端接至第二bjt晶体管的输入端；第一复制电路复制第一bjt晶体管或者第二bjt晶体管的电流；第一复制电路的输出端接至第一温度敏感电阻式传感器1021的输入端；第二环路的第一输出端接至第三bjt晶体管的输入端，第二环路的第二输出端接至第四bjt晶体管的输入端；第二复制电路复制第三bjt晶体管或者第四bjt晶体管的电流；第二复制电路的输出端接至第二温度敏感电阻式传感器1022的输入端。

9、在一些实施例中，还包括第一环路、第二环路和环路启动器；环路启动器分别驱动第一环路和第二环路运转；第一环路包括第一电压控制电流发生器、第一电压求差器和第一负载阻抗，第一电压控制电流发生器的第一电流输出端流经第一负载阻抗和第一bjt晶体管，第一电压控制电流发生器的第二电流输出端流经第二bjt晶体管；第一负载阻抗和第一bjt晶体管的电压之和输出端接至第一电压求差器的第一输入端，第二bjt晶体管的电压输出端接至第一电压求差器的第二输入端，第一电压求差器的输出端接至第一电压控制电流发生器的控制端；第二环路包括第二电压控制电流发生器、第二电压求差器和第二负载阻抗，第二电压控制电流发生器的第一电流输出端流经第三bjt晶体管，第二电压控制电流发生器的第二电流输出端流经第二负载阻抗和第四bjt晶体管；第三bjt晶体管的电压输出端接至第二电压求差器的第一输入端，第二负载阻抗和第四bjt晶体管的电压之和输出端接至第二电压求差器的第二输入端，第二电压求差器的输出端接至第二电压控制电流发生器的控制端；所述第一复制电路为第一电流复制电路，所述第二复制电路为第二电流复制电路；第一电流复制电路复制第一bjt晶体管发射极电流，第二电流复制电路复制第四bjt晶体管发射极电流；所述第一电流复制电路和所述第二电流复制电路的输出端分别与第一温度敏感电阻式传感器1021和第二温度敏感电阻式传感器1022非串联端相连。

10、在一些实施例中，还包括电流参考源，所述电流参考源用于驱动第一电压求差器和第二电压求差器。

11、为解决上述技术问题，本公开实施例还提供一种感测热式气体流量传感器线性补偿系统，包括上述感测热式气体流量传感器mems芯片端，电热丝恒温差控制模块包括：第一分压器、第二分压器和第三电压求差器；第一分压器包括第一外接电阻ra，第一外接电阻ra一端和环境温度传感器104相串联，第二分压器包括第二外接电阻rb，第二外接电阻rb一端和中心加热丝101相串联，第一外接电阻ra和第二外接电阻rb的另一端相连，环境温度传感器104和中心加热丝101的另一端接地，第一外接ra和环境温度传感器104相联端接至第三电压求差器的第一输入端，第二外接电阻rb和中心加热丝101相联端接至第三电压求差器的第二输入端，第三电压求差器的输出端接至第一外接电阻ra和第二外接电阻rb相连端。

12、通过上述技术方案，本公开利用数学原理中将具有恒定曲率特性的二次曲线转换为具有曲率过0点特性的三次曲线来完成补偿。在电路设计层面，此系统基于cmos集成模拟电路架构，利用mems芯片端中的bjt晶体管组合与线性补偿电路产生与气体流速为一次关系曲线输出电流，并输入原传感器中与气体流速成二次关系的热敏感电阻分压电路，最终输出与气体流速成三次关系的电压输出曲线，由于本发明中，硅衬底中导热率远高于隔热桥的导热率。第一温度敏感电阻式传感器和第二温度敏感电阻式传感器离导热丝近，第一bjt双极型晶体管组合和第二bjt双极型晶体管组合离导热丝远。在量程范围内此曲线近似于直线。