夏 怡， 張曉林， 申 晶

(北京航空航天大學(xué) 北京 100191)

引 言

在航空航天領(lǐng)域中，無論是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制，還是自動(dòng)尋的和導(dǎo)航，都需要傳感器提供各項(xiàng)敏感參數(shù)，為航天器的安全飛行和航天員的安全保駕護(hù)航，而采用新材料、新工藝、新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的航天傳感器進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，是航天測(cè)控傳感器發(fā)展的重要方向。比如將柔性電子傳感器用于機(jī)身機(jī)翼蒙皮，可在飛行過程中傳遞具體的局部信息，通過對(duì)航空航天復(fù)合結(jié)構(gòu)的健康狀況(如溫度、應(yīng)變、損傷、疲勞等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷及剩余壽命，同時(shí)做好對(duì)航天員體液生化指標(biāo)的在線檢測(cè)與監(jiān)測(cè)工作，盡可能消除隱患，減少災(zāi)難性意外事故的發(fā)生。

柔性電子作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，已在某些方面取得了一定的成果。國內(nèi)外針對(duì)柔性電子材料制備、柔性電子器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面已開展了大量的基礎(chǔ)研究工作[1]，目前世界上最快的硅柔性晶體管截止頻率可達(dá)5GHz[2]。柔性電子與傳統(tǒng)電子技術(shù)最根本的區(qū)別在于以柔性基板代替剛性基板，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)是要在大形變下仍保持結(jié)構(gòu)和功能的完整性，這主要取決于電子電路的結(jié)構(gòu)形式、材料以及兩者的優(yōu)化匹配[3]。目前實(shí)驗(yàn)研究的柔性電子系統(tǒng)的元器件和產(chǎn)品尺寸較少涉及微電子層面，且普遍偏重于對(duì)材料力學(xué)性能(如延展性)的研究。產(chǎn)品在性能上也遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)方式制作的硅芯片，運(yùn)行速度甚至相差了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)已得到初步發(fā)展的柔性襯底微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanic System)傳感器雖具有較好的彎曲性和延展性，但相對(duì)芯片而言，它更易受到工藝和封裝的限制，且成本高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)[4，5]。德國斯圖加特電子研究院開發(fā)出一種名為chipfilm的超薄芯片制造技術(shù)，它以硅為主要材料，從底層開始制造超薄芯片，有望成為一種顛覆性的解決辦法[6，7]。

鑒于以上背景，本文設(shè)計(jì)了一種基于高速柔性薄膜電子的溫度傳感器，從傳感器電路結(jié)構(gòu)形式及其與材料優(yōu)化匹配的角度出發(fā)，采用敏感元件探頭與處理電路分隔的模式，增加了電路實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的靈活性;選用適于做成貼合復(fù)雜表面的大面積傳感檢測(cè)陣列的薄膜鉑電阻作為敏感元件;后端則選取適于高速柔性薄膜電子應(yīng)用場(chǎng)景的超薄集成電路作為轉(zhuǎn)換元件。后仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換電路能夠完成后端信號(hào)調(diào)理放大的功能，共模抑制比大于85dB;溫度傳感器能夠完成測(cè)溫的功能且線性度良好，可測(cè)量-50℃～90℃范圍內(nèi)的溫度，靈敏度4.8mV/℃，精度 0.12%，功耗 2.04mW(1.8V 電源電壓)。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 總體設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如何將傳感器的功能與柔性薄膜電子的特征相結(jié)合，是本文研究的關(guān)鍵。不論是敏感元件的選取，還是電路的制造工藝，其設(shè)計(jì)思路應(yīng)與普通剛性電路相區(qū)別。具體設(shè)計(jì)方案:前端選用薄膜敏感元件作為探頭，植入柔性材料中;后端采用高性能的集成電路作為轉(zhuǎn)換和處理單元;選用柔性薄膜電子器件，以硅為基底材料實(shí)現(xiàn)柔性薄膜芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由恒流源驅(qū)動(dòng)電路為鉑電阻傳感器供電，將溫度引起的阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓枯敵?，通過儀表放大電路對(duì)檢測(cè)出的微弱電壓變化量進(jìn)行放大，進(jìn)而完成對(duì)電壓值的采集和讀取。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 敏感元件及測(cè)量方法分析

薄膜鉑電阻是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的一種新型微傳感器，它具有體積小、熱響應(yīng)時(shí)間短(一般在0.1s～0.3s)、測(cè)溫范圍大(-200℃ ～+850℃)、穩(wěn)態(tài)精度高、線性度好、靈敏度高、機(jī)械性能好且便于與集成電路相結(jié)合等特點(diǎn)，滿足高速柔性薄膜電子的需求，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高曲率物體表面和小間隙場(chǎng)所等的快速溫度測(cè)量。將薄膜鉑電阻制作于可彎曲的柔性襯底上，可做成貼合復(fù)雜表面的傳感器乃至大面積檢測(cè)陣列。目前已有相關(guān)文獻(xiàn)闡述了柔性襯底薄膜鉑電阻的工藝及測(cè)溫方法[8]。

恒流法測(cè)量原理如圖2所示。

1.3 轉(zhuǎn)換電路分析

轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，柔性薄膜在形變過程中會(huì)產(chǎn)生較大的共模干擾，從而對(duì)后端信號(hào)采集和調(diào)理電路提出了高共模抑制比、高輸入阻抗等要求[9]。本文選用儀表放大電路作為后端信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的基本形式，它除了具有高精度、高共模抑制比的特點(diǎn)外，還具有輸入阻抗大、輸出受集成運(yùn)放失調(diào)及漂移影響較小的特點(diǎn)[10～12]，電路原理圖如圖3所示。

圖2 恒流源驅(qū)動(dòng)電路原理圖(Rt為薄膜鉑電阻)

圖3 儀表放大電路原理圖

總的放大倍數(shù)為

可以看出，電路的增益是通過合理設(shè)計(jì)電阻參數(shù)來控制的[13]。由于本文中芯片的供電電壓是1.8V，權(quán)衡測(cè)量范圍和靈敏度等因素，確定該溫度傳感器測(cè)量的溫度范圍大致為-50℃ ～90℃。由于Pt100的熱敏度近似為0.385Ω/℃，所以熱敏電阻阻值的變化范圍是80Ω～135Ω。如圖2所示，通過恒流源對(duì)其提供約0.13mA的電流，則鉑熱電阻兩端的電壓變化范圍是10.4mV～17.55mV。因此，考慮設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為100倍。由于前級(jí)放大器要抑制噪聲影響，因此放大倍數(shù)應(yīng)較小，設(shè)定為5倍左右，而后級(jí)放大器放大20倍。

1.4 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

本文采用兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，由一、二級(jí)放大電路，偏置電路和相位補(bǔ)償電路組成。電路原理如圖4所示。

2 后仿真結(jié)果

圖5是本文溫度傳感器轉(zhuǎn)換電路的芯片版圖，尺寸為175μm×180μm。版圖設(shè)計(jì)中要充分考慮柔性薄膜的形變特性，綜合器件排列和彎曲半徑等因素;將溝道較寬的MOS管拆分成小單元并聯(lián)的叉指結(jié)構(gòu)，更好地匹配電路;同時(shí)通過雙層電源環(huán)保護(hù)結(jié)構(gòu)減少信號(hào)串?dāng)_和襯底噪聲影響。

圖4 運(yùn)算放大器電路原理圖

本文仿真基于SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工藝。圖6為儀表放大電路增益頻率響應(yīng)后仿真曲線。結(jié)果表明，開環(huán)直流增益為39.81dB，與設(shè)計(jì)的100倍放大倍數(shù)基本一致。圖7為儀表放大電路共模增益頻率響應(yīng)后仿真曲線。綜合兩條曲線可算出，低頻時(shí)儀表放大電路的共模抑制比為87.85dB，性能良好。圖8為輸出電壓Uo-薄膜鉑電阻阻值Rt后仿真曲線。可以看出，兩者基本滿足線性關(guān)系，輸出電壓值大約以0.0125V/Ω的斜率遞增，線性度良好。線性擬合后的直線方程為

圖5 溫度傳感器后端轉(zhuǎn)換電路版圖

圖6 儀表放大電路增益頻率響應(yīng)后仿真曲線

由式(2)得，靈敏度為0.0125V/Ω。由于 Pt100的熱敏度近似為0.385Ω/℃，因此靈敏度近似為4.8mV/℃。由鉑熱電阻阻值80Ω～135Ω的范圍可算出，對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量范圍為-50℃ ～90℃，再通過Pt100分度表進(jìn)行標(biāo)定即可從輸出電壓直接得到當(dāng)前溫度值。

圖7 儀表放大電路共模增益頻率響應(yīng)后仿真曲線

圖8 輸出電壓-薄膜鉑電阻阻值后仿真曲線

3 結(jié)束語

本文從傳感器電路結(jié)構(gòu)形式及其與材料優(yōu)化匹配的角度出發(fā)，選取適于柔性薄膜應(yīng)用場(chǎng)景的薄膜鉑電阻作為前端敏感元件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種與之相匹配的基于超薄柔性芯片工藝的后端轉(zhuǎn)換集成電路，并基于SMIC 0.18μm CMOS工藝完成了電路的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證工作。

信號(hào)調(diào)理電路的共模抑制比可達(dá)87dB，適用于基于高速柔性薄膜電子的信號(hào)處理，具有一定的抗干擾能力。溫度傳感器電路能夠測(cè)量-50℃ ～90℃范圍內(nèi)的溫度，線性度、精度良好，功耗較低，靈活性較強(qiáng)。

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