一種高溫壓力傳感器專用集成電路的製作方法
2023-04-28 22:42:26
本發明涉及一種高溫壓力傳感器專用電路，屬於信號處理領域。
背景技術：
壓力傳感器專用電路主要由接口電路和信號調理電路構成，起著對傳感器輸出信號進行放大和補償等重要作用，保證了信號測量的可靠性。
現有由分立元件構成的壓力傳感器專用電路在高溫和振動的工作環境下，其性能急劇下降，甚至無法使用。
現有功能集成的壓力傳感器專用電路在有效解決以上由分立元件構成的壓力傳感器專用電路存在的問題的同時，大幅度地減小了該電路的體積和重量。但是，由於現有功能集成的壓力傳感器專用電路採用體矽CMOS工藝製成，在125℃以上的工作環境下，其性能仍然明顯下降。為此，人們通過優化電路布局和完善製造工藝的方式將其額定工作溫度的上限提升至175℃，但是其工作壽命仍然不到一年，而且可靠性有待考證。
在體矽CMOS工藝下，電子器件與電子器件以及電子器件與襯底均通過PN結進行隔離。在常溫下，PN結反向漏電流很低，但是，PN結反向漏電流會隨外界環境溫度的升高而增大。當溫度超過175℃時，現有功能集成的壓力傳感器專用電路會因漏電流過大而無法正常工作。另一方面，壓力傳感器的靈敏度隨溫度的升高而降低，電路失調電壓會隨溫度的升高而增大。在225℃以上的工作環境下，其性能急劇下降，嚴重影響信號測量的可靠性。
技術實現要素：
本發明為解決現有體矽CMOS工藝的壓力傳感器專用集成電路的額定工作溫度上限值過低和不具備對壓力傳感器進行溫度失調補償的功能的問題，提出了一種高溫壓力傳感器專用集成電路。
本發明所述的高溫壓力傳感器專用集成電路包括內建電源單元、恆流源單元、儀表放大器單元和失調補償單元；
內建電源單元與外部電壓源相連，並用於同時為恆流源單元、儀表放大器單元和失調補償單元提供零溫度係數的工作電壓；
恆流源單元的溫度係數可調，其用於為高溫壓力傳感器提供工作電流，並對其進行溫度補償；
儀表放大器單元用於放大高溫壓力傳感器的輸出信號；
失調補償單元用於同時對所述集成電路進行系統失調補償和溫度失調補償；
所述集成電路採用SOI CMOS工藝製成。
優選的是，內建電源單元包括第一電壓基準子單元1、第一運算放大器OP1、第一場效應管MO1、第二場效應管MO2、第三場效應管MO3、第一電阻R1、第二電阻R2和電容C1；
外部電壓源同時接入第一運算放大器OP1的正電源端和第三場效應管MO3的源極，第三場效應管MO3的柵極和漏極均與第二場效應管MO2的源極相連，第二場效應管MO2的柵極和漏極均與第一場效應管MO1的漏極相連，第一場效應管MO1的柵極與第一運算放大器OP1的輸出端相連，第一場效應管MO1的源極同時與第一電壓基準子單元1的正電源端、第一電阻R1的第一端和電容C1的第一端相連，第一電阻R1的第二端同時與第二電阻R2的第一端和第一運算放大器OP1的反相輸入端相連，第一運算放大器OP1的正相輸入端與第一電壓基準子單元1的輸出端相連，電容C1的第二端、第二電阻R2的第二端、第一運算放大器OP1的負電源端和第一電壓基準子單元1的負電源端均與電源地相連；
第一場效應管MO1、第一電阻R1、電容C1與第一電壓基準子單元1的公共端為內建電源單元的輸出端。
優選的是，恆流源單元包括第二電壓基準子單元2、第一溫度傳感器3、第二運算放大器OP2和第三電阻R3；
內建電源單元的輸出端同時與第三電阻R3的第一端、第二運算放大器OP2的負電源端、第一溫度傳感器3的正電源端和第二電壓基準子單元2的正電源端相連，第三電阻R3的第二端同時與第二運算放大器OP2的反相輸入端和輸出端相連，第二運算放大器OP2的同相輸入端同時與第二電壓基準子單元2的輸出端和第一溫度傳感器3的輸出端相連，第二運算放大器OP2的正電源端、第二電壓基準子單元2的負電源端和第一溫度傳感器3的負電源端均電源地相連；
第二運算放大器OP2與第三電阻R3的公共端為恆流源單元的輸出端。
優選的是，儀表放大器單元包括第三運算放大器OP3、第四運算放大器OP4、第五運算放大器OP5、第一電阻陣列以及第四電阻R4至第十二電阻R12；
第三運算放大器OP3的輸出端同時與第四電阻R4的第一端和第六電阻R6的第一端相連，第四電阻R4的第二端同時與第三運算放大器OP3的反相輸入端和第十二電阻R12的第一端相連，第十二電阻R12的第二端同時與第五電阻R5的第一端和第四運算放大器OP4的反相輸入端相連，第四運算放大器OP4的輸出端同時與第五電阻R5的第二端和第七電阻R7的第一端相連；
第六電阻R6的第二端同時與第八電阻R8的第一端、第十電阻R10的第一端和第五運算放大器OP5的反相輸入端相連，第八電阻R8的第二端與第五運算放大器OP5的輸出端相連，第七電阻R7的第二端同時與第五運算放大器OP5的同相輸入端、第九電阻R9的第一端和第十一電阻R11的第一端相連，第九電阻R9的第二端與電源地相連；
在第三運算放大器OP3、第四電阻R4與第十二電阻R12的公共端和第四運算放大器OP4、第五電阻R5與第十二電阻R12的公共端之間設置有第一電阻陣列，
第一電阻陣列與第十二電阻R12並聯，第一電阻陣列的接入阻值可調；
第三運算放大器OP3的正相輸入端和第四運算放大器OP4的正相輸入端分別為儀表放大器單元的第一輸入端和第二輸入端；
第五運算放大器OP5與第八電阻R8的公共端為儀表放大器單元的輸出端；
第十電阻R10的第二端與失調補償單元的輸出端相連，第十一電阻R11的第二端與電源地相連；
或者，第十一電阻R11的第二端與失調補償單元的輸出端相連，第十電阻R10的第二端與電源地相連。
優選的是，失調補償單元包括第二溫度傳感器4、第二電阻陣列5、第三電壓基準子單元6、第六運算放大器OP6、第十三電阻R13、第十四電阻R14和第十五電阻R15；
第二溫度傳感器4的輸出端與第十三電阻R13的第一端相連，第十三電阻R13的第二端同時與第十四電阻R14的第一端、第六運算放大器OP6的反相輸入端和第十五電阻R15的第一端相連，第十五電阻R15的第二端與第六運算放大器OP6的輸出端相連，第六運算放大器OP6的正相輸入端與電源地相連；
第二電阻陣列5設置在第十四電阻R14的第二端與第三電壓基準子單元6的輸出端之間，第二電阻陣列5的接入阻值可調；
第六運算放大器OP6與第十五電阻R15的公共端為失調補償單元的輸出端。
本發明所述的高溫壓力傳感器專用集成電路採用SOI CMOS工藝製成，利用SOI CMOS工藝耐高溫的特點，提升了壓力傳感器專用集成電路的額定工作溫度上限值，解決了現有體矽CMOS工藝的壓力傳感器專用集成電路的額定工作溫度上限值過低的問題。本發明的恆流源單元用於為高溫壓力傳感器供電，其溫度係數可調，起到了對高溫壓力傳感器進行溫度失調補償的作用。
附圖說明
在下文中將基於實施例並參考附圖來對本發明所述的高溫壓力傳感器專用集成電路進行更詳細的描述，其中：
圖1是實施例一所述的高溫壓力傳感器專用集成電路的結構框圖，A為儀表放大器單元，B為高溫壓力傳感器的感壓電橋；
圖2是實施例二提及的內建電源單元的電路原理圖，VDDH為外部電壓源的輸出電壓，VDDL為內建電源單元的輸出電壓；
圖3是實施例三提及的恆流源單元的電路原理圖，IOUT為恆流源單元為高溫壓力傳感器提供的溫度係數可調電流；
圖4是實施例四提及的儀表放大器單元的電路原理圖，IN+為儀表放大器單元的同相輸入端，IN-為儀表放大器單元的反相輸入端，VOUT1為儀表放大器單元的輸出端，O1為第十電阻R10的第二端，O2為第十一電阻R11的第二端，a和b分別為第一電阻陣列的第一接入端和第二接入端；
圖5是實施例四提及的第一電阻陣列的結構示意圖；
圖6是實施例五提及的失調補償單元的電路原理圖，VOUT2為失調補償單元的輸出端；
圖7是實施例五提及的第二電阻陣列的結構示意圖；
圖8是實施例五所述的高溫壓力傳感器專用集成電路的平面示意圖，z為第十四電阻R14的第二端。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明所述的高溫壓力傳感器專用集成電路作進一步說明。
實施例一：下面結合圖1詳細地說明本實施例。
本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路包括內建電源單元、恆流源單元、儀表放大器單元和失調補償單元；
內建電源單元與外部電壓源相連，並用於同時為恆流源單元、儀表放大器單元和失調補償單元提供零溫度係數的工作電壓；
恆流源單元的溫度係數可調，其用於為高溫壓力傳感器提供工作電流，並對其進行溫度補償；
儀表放大器單元用於放大高溫壓力傳感器的輸出信號；
失調補償單元用於同時對所述集成電路進行系統失調補償和溫度失調補償；
所述集成電路採用SOI CMOS工藝製成。
基於SOI CMOS工藝的集成電路將NMOS管、PMOS管、電容、電阻等電子器件製作在SOI基片的薄層矽上，電子器件與電子器件以及電子器件與襯底均通過氧化層隔離，大大減小了PN結面積，不僅能夠解決高溫下洩漏電流過大的問題，而且能夠完全消除閂鎖效應。因此，基於SOI CMOS工藝的集成電路具有能夠在高溫(225℃)下穩定工作的特點。相比於藍寶石和碳化矽等材質的基片，SOI基片的製備更加容易，成本也更低，是未來集成電路發展的主流技術。本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路將各個功能單元集成在一塊晶片上，具有優良的一致性、高共模抑制比和高輸入阻抗等優點，使用方便。
圖1為高溫壓力傳感器專用集成電路的結構框圖，高溫壓力傳感器的感壓電橋包括第一力敏電阻Ra、第二力敏電阻Rb、第三力敏電阻Rc和第四力敏電阻Rd，第一力敏電阻Ra、第二力敏電阻Rb、第三力敏電阻Rc和第四力敏電阻Rd依次串聯。第一力敏電阻Ra與第二力敏電阻Rb的公共端與恆流源單元的輸出端相連，第二力敏電阻Rb與第三力敏電阻Rc的公共端與儀表放大器單元的反相輸入端相連，第三力敏電阻Rc與第四力敏電阻Rd的公共端與電源地相連，第一力敏電阻Ra與第四力敏電阻Rd的公共端與儀表放大器單元的同相輸入端相連。其中，第一力敏電阻Ra和第三力敏電阻Rc的阻值均隨所受壓力的升高而增大，第二力敏電阻Rb和第四力敏電阻Rd的阻值均隨所受壓力的升高而減小。
在壓力傳感器領域，將工作溫度超過150℃的壓力傳感器稱為高溫壓力傳感器。
實施例二：下面結合圖2詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例一所述的高溫壓力傳感器專用集成電路作進一步的限定。
本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路，內建電源單元包括第一電壓基準子單元1、第一運算放大器OP1、第一場效應管MO1、第二場效應管MO2、第三場效應管MO3、第一電阻R1、第二電阻R2和電容C1；
外部電壓源同時接入第一運算放大器OP1的正電源端和第三場效應管MO3的源極，第三場效應管MO3的柵極和漏極均與第二場效應管MO2的源極相連，第二場效應管MO2的柵極和漏極均與第一場效應管MO1的漏極相連，第一場效應管MO1的柵極與第一運算放大器OP1的輸出端相連，第一場效應管MO1的源極同時與第一電壓基準子單元1的正電源端、第一電阻R1的第一端和電容C1的第一端相連，第一電阻R1的第二端同時與第二電阻R2的第一端和第一運算放大器OP1的反相輸入端相連，第一運算放大器OP1的正相輸入端與第一電壓基準子單元1的輸出端相連，電容C1的第二端、第二電阻R2的第二端、第一運算放大器OP1的負電源端和第一電壓基準子單元1的負電源端均與電源地相連；
第一場效應管MO1、第一電阻R1、電容C1與第一電壓基準子單元1的公共端為內建電源單元的輸出端。
本實施例的內建電源單元具有隔離電源噪聲和提高電源抑制比的作用。在現有技術中，內建電源電路通常採用耐高壓場效應管作為調整管，實現穩壓的功能。而本實施例通過在第一場效應管MO1的漏極依次串聯二極體接法的第二場效應管MO2和第三場效應管MO3，使第一場效應管MO1的源漏電壓小於其擊穿電壓，從而實現了無耐壓管情況下內建電源電路的構建，解決了無耐高壓管條件下的壓力傳感器專用集成電路的高壓供電問題。
本實施例將第一電壓基準子單元1的輸出電壓設計為零溫度係數電壓，因此，內建電源單元的輸出電壓VDDL為零溫度係數電壓。
實施例三：下面結合圖3詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例二所述的高溫壓力傳感器專用集成電路作進一步的限定。
本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路，恆流源單元包括第二電壓基準子單元2、第一溫度傳感器3、第二運算放大器OP2和第三電阻R3；
內建電源單元的輸出端同時與第三電阻R3的第一端、第二運算放大器OP2的負電源端、第一溫度傳感器3的正電源端和第二電壓基準子單元2的正電源端相連，第三電阻R3的第二端同時與第二運算放大器OP2的反相輸入端和輸出端相連，第二運算放大器OP2的同相輸入端同時與第二電壓基準子單元2的輸出端和第一溫度傳感器3的輸出端相連，第二運算放大器OP2的正電源端、第二電壓基準子單元2的負電源端和第一溫度傳感器3的負電源端均電源地相連；
第二運算放大器OP2與第三電阻R3的公共端為恆流源單元的輸出端。
眾所周知，壓力傳感器的靈敏度會隨著溫度的升高而下降。現有技術通常採用調節分立熱敏電阻的方式對傳感器的靈敏度進行補償，但是這種方法在高溫條件下並不適用，主要有以下兩方面原因：
1)分立熱敏電阻器件無法在225℃高溫下工作；
2)熱敏電阻溫度係數不可調，當溫度發生變化時，不能確保傳感器靈敏度得到充分補償。
而本實施例的恆流源單元能夠實現高溫(225℃)下傳感器的靈敏度補償，主要包括以下兩方面原因：
1)本實施例的恆流源單元採用SOI CMOS工藝製成，在高溫環境下性能穩定；
2)本實施例的恆流源單元溫度係數可調，其為壓力傳感器提供的電流隨著溫度的升高而增大，從而達到補償壓力傳感器靈敏度的目的。
本實施例的恆流源單元的輸出電流可自身調節：
IOUT＝Vip/RS (1)
其中，Vip為第二運算放大器OP2的輸出端電壓。
Vip＝Vref+Vt (2)
其中，Vref為第二電壓基準子單元2的輸出電壓，Vt為第一溫度傳感器3的輸出電壓，第一溫度傳感器3的輸出電壓Vt與溫度成正比，第二電壓基準子單元2的輸出電壓Vref保持恆定，因此第二運算放大器OP2的輸出端電壓Vip隨溫度的升高而增大。當外界溫度升高時，恆流源單元的輸出電流增大，從而抑制壓力傳感器靈敏度的下降，實現了對高溫下傳感器靈敏度的自動補償。
實施例四：下面結合圖4和圖5詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例三所述的高溫壓力傳感器專用集成電路作進一步的限定。
本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路儀表放大器單元包括第三運算放大器OP3、第四運算放大器OP4、第五運算放大器OP5、第一電阻陣列以及第四電阻R4至第十二電阻R12；
第三運算放大器OP3的輸出端同時與第四電阻R4的第一端和第六電阻R6的第一端相連，第四電阻R4的第二端同時與第三運算放大器OP3的反相輸入端和第十二電阻R12的第一端相連，第十二電阻R12的第二端同時與第五電阻R5的第一端和第四運算放大器OP4的反相輸入端相連，第四運算放大器OP4的輸出端同時與第五電阻R5的第二端和第七電阻R7的第一端相連；
第六電阻R6的第二端同時與第八電阻R8的第一端、第十電阻R10的第一端和第五運算放大器OP5的反相輸入端相連，第八電阻R8的第二端與第五運算放大器OP5的輸出端相連，第七電阻R7的第二端同時與第五運算放大器OP5的同相輸入端、第九電阻R9的第一端和第十一電阻R11的第一端相連，第九電阻R9的第二端與電源地相連；
在第三運算放大器OP3、第四電阻R4與第十二電阻R12的公共端和第四運算放大器OP4、第五電阻R5與第十二電阻R12的公共端之間設置有第一電阻陣列，
第一電阻陣列與第十二電阻R12並聯，第一電阻陣列的接入阻值可調；
第三運算放大器OP3的正相輸入端和第四運算放大器OP4的正相輸入端分別為儀表放大器單元的第一輸入端和第二輸入端；
第五運算放大器OP5與第八電阻R8的公共端為儀表放大器單元的輸出端；
第十電阻R10的第二端與失調補償單元的輸出端相連，第十一電阻R11的第二端與電源地相連；或者，第十一電阻R11的第二端與失調補償單元的輸出端相連，第十電阻R10的第二端與電源地相連。
在本實施例中，儀表放大器單元的第一級包括第三運算放大器OP3、第四運算放大器OP4以及由第四電阻R4、第五電阻R5和第十二電阻R12構成的負反饋電阻網絡。儀表放大器單元的第二級包括第五運算放大器OP5以及由第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8和第九電阻R9構成的電阻網絡，提供R8/R6的增益。本實施例的儀表放大器單元的運放增益為R8/R6(1+2R5/R12)。現有技術通常通過調節R12的阻值來改變電壓增益，由於高溫下電阻的阻值不可調，故本實施例通過將R12並聯第一電阻陣列的方式改變綜合電阻值，進而調節儀表放大器單元的增益。
圖5為第一電阻陣列的示意圖，如圖5所示，本實施例的第一電阻陣列包括第一調節電阻至第三調節電阻。第一調節電阻的兩端分別為a1和b1，第二調節電阻的兩端分別為a2和b2，第三調節電阻的兩端分別為a3和b3。在實際調節中，可以選擇一個調節電阻與R12並聯。例如：a1與a相連，b1與b相連。也可以先構建調節電阻網絡，再與R12並聯。例如：先將a1與a2相連，將二者的公共端與a相連，再將b1與b2相連，將二者的公共端與b相連。
實施例五：下面結合圖6至圖8詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例四所述的高溫壓力傳感器專用集成電路作進一步的限定。
本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路，失調補償單元包括第二溫度傳感器4、第二電阻陣列5、第三電壓基準子單元6、第六運算放大器OP6、第十三電阻R13、第十四電阻R14和第十五電阻R15；
第二溫度傳感器4的輸出端與第十三電阻R13的第一端相連，第十三電阻R13的第二端同時與第十四電阻R14的第一端、第六運算放大器OP6的反相輸入端和第十五電阻R15的第一端相連，第十五電阻R15的第二端與第六運算放大器OP6的輸出端相連，第六運算放大器OP6的正相輸入端與電源地相連；
第二電阻陣列5設置在第十四電阻R14的第二端與第三電壓基準子單元6的輸出端之間，第二電阻陣列5的接入阻值可調；
第六運算放大器OP6與第十五電阻R15的公共端為失調補償單元的輸出端。
在本實施例中，第三電壓基準子單元6和第二電阻陣列5構成系統失調補償子單元，系統失調補償子單元用於對本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路進行系統失調補償。
圖7是第二電阻陣列5的結構示意圖，如圖7所示，第二電阻陣列5包括第四調節電阻至第六調節電阻。第四調節電阻的兩端分別為z1和z4，第五調節電阻的兩端分別為z2和z5，第六調節電阻的兩端分別為z3和z6。第三電壓基準子單元6的輸出端與z4固連，第二電阻陣列5可以構成多種阻值不同的調節電阻網絡，並連接第三電壓基準子單元6與第十四電阻R14。本實施例通過在第十四電阻R14的第二端與第三電壓基準子單元6的輸出端之間設置第二電阻陣列5，使得第十四電阻R14第二端的電壓在零點與第三電壓基準之間可調。在不考慮溫度影響的情況下，儀表放大器單元在無輸入時輸出為零，達到補償電路系統失調電壓的目的。第二溫度傳感器4為溫度失調補償子單元，用於對本實施例所述的高溫壓力傳感器專用集成電路進行溫度失調補償。第二溫度傳感器4的輸出電壓隨外界溫度的升高而增大，調節第二溫度傳感器4的輸出電壓，使之與溫度漂移失調電壓向匹配，進行實現對所述集成電路的溫度失調補償。
失調補償單元的輸出電壓為系統失調補償子單元的輸出電壓與溫度失調補償子單元的輸出電壓之和。在現實應用中，失調補償單元的輸出端VOUT2可根據實際需求接入第十電阻R10的第二端O1或第十一電阻R11的第二端O2，其補償失調電壓＝系統失調電壓±失調補償單元的輸出電壓。
現有調節零點方法為滑動變阻器調節，該方法在高溫電路中同樣不適用。由於電路失調電壓在高溫下產生較大的溫度漂移失調，使得高溫條件下電路失調不易補償。因此，本實施例將系統失調補償子單元和溫度失調補償子單元同時作用於輸出級運放的輸入端，通過適當調節即可抵消所述集成電路的系統失調與溫度漂移失調，實現高溫電路失調補償。與此同時，利用第二溫度傳感器感知環境溫度，可為溫度補償提供高精度的溫度反饋信號。
雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發明，但是應該理解的是，這些實施例僅是本發明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，並且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍。應該理解的是，可以通過不同於原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特徵。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特徵可以使用在其他所述實施例中。