高温传感器专用集成电路研究现状与发展趋势

程 鑫， 吴亚林， 陈东亮, 吴凌慧

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

高温传感器专用集成电路研究现状与发展趋势

程 鑫， 吴亚林， 陈东亮, 吴凌慧

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

简要概述了集成电路高温性能下降、甚至无法工作的原因。阐述了高温专用集成电路研究的必要性，介绍了国内外的研究现状。给出了国外高温传感器专用集成电路实现的主要技术和设计技巧，分析了专用集成电路的发展趋势。总结了实际高温应用环境中芯片失效的原因，并结合工艺兼容问题，提出了一些合理建议。

高温传感器； 专用集成电路； 研究现状； 主要技术和设计技巧； 发展趋势

0 引 言

高温传感器专用电路在能源、航空航天和重工业等一些特殊领域中、起着非常关键的作用。例如：在5 km深的油井中，压力传感器输出信号非常小(典型值30 mV)，需要将信号处理电路与压力传感器集成在一起以确保信号完整性和正确性，这就需要该信号处理电路在高温下稳定工作[1]；在高速飞行器的飞行控制、航空发动机(喷气式发动机等)等耐热腔体和表面测量的控制技术中，高温专用电路是最重要部分之一，起着对传感器信号补偿和放大处理等关键作用。传统的分立元件组成的接口电路和信号调理单元在高温、振动等恶劣环境下性能急剧下降和不稳定，甚至根本无法使用。功能集成的专用芯片则可以很大程度解决印刷电路板(publishing circuit board,PCB)板级电路高温无法稳定工作的问题，抗振性能也明显提高，同时重量和体积得到大幅度减小[2]。但基于传统CMOS工艺的集成电路，在高温下性能会随着器件本征参数的改变、泄露电流的增加、阈值电压的不稳定和迁移率的降低而明显下降，甚至会发生闩锁效应[3]，导致专用电路在温度超过125 ℃时，性能发生明显下降，超过175 ℃时则无法工作。因此，对高温传感器专用集成电路的研究十分重要。

1 国内外研究现状

目前，国外很多公司均已实现高温传感器专用集成电路产品化。如Kulite公司的ETM—UHT—375(M)系列、ETMER—UHT—375(M)系列和ETL—UHT—375(M)系列传感器产品实现了补偿、放大电路与传感器的集成化，产品工作温度可达225 ℃以上，3个系列的传感器均利用SOI CMOS工艺集成了放大器，如图1所示。SGA公司产品SG0611为基于SOI CMOS工艺的高温仪表运算放大器，用于处理高温条件下传感器输出信号，该仪表运算放大器主要包括运算放大器、前置调节器、电压基准、失调电路等，其工作温度范围为25～225 ℃，增益漂移为±30×10-6/℃，供电电压高达36 V。

图1 Kulite公司SOI高温芯片

国外对高温传感器专用集成电路研究比较多，Paul C de Jong等人利用动态反馈技术研制出高温仪表运算放大器，通过电阻旋转链补偿电阻解决了失配问题，采用标准结隔离1.6 μm CMOS工艺实现了250 ℃的高温工作，无需校正和修调技术即可使平均增益误差低于25×10-6[4]。Case Western大学在传感器高温电路方面研究较为深入，研制出基于体硅CMOS工艺的高精度仪表放大器，可实现270 ℃下稳定工作，主要技术包括相关双采样技术、混合信号跟踪回路技术和恒定跨导gm偏置技术，其中，全差分运算放大器增益带宽可达30 MHz，增益变化1 dB[5]；并且研制出基于SOI CMOS 0.5 μm全耗尽工艺的高温宽带宽跨阻放大器，适用于基于MEMS工艺的阻抗传感器，在高温300 ℃条件下，增益和带宽分别为2 MΩ和1.2 MHz，且具有低于1 mW的功耗，该放大器仅利用CMOS晶体管和一个片外电容器实现其功能，芯片面积为8 500 μm2[6]。

放大器是传感器专用集成电路的重要组成模块，实现放大器高温工作的工艺主要为体硅CMOS和SOI CMOS2种。Finvers Ivars G等人采用体硅CMOS工艺，实现了一个高精度运算放大器，在200 ℃的环境温度下，仍能保持200 μV的输入失调，这主要得益于自动调零技术。普通运放在高温条件下会因漏电而导致运放增益的下降，噪声和失调的上升以及温漂。自动调零电路通过采样保持电路，将运放的输入失调采样到保持电容器上，在下一个时序，将保持电容器上存储的失调电压与运放固有的失调相减，从而抵消运放的失调；低频噪声也同时被采样和抵消。理论上，这种方法可以具有近乎为零的失调和低频噪声，所以，在高温下漏电引起的额外失调也被抵消掉，而对整体电路无影响。如图2所示，主运放处理输入信号，调零放大器与信号通路断开调零自身，然后与主放大器连接并对其进行调零。该方法在标准CMOS工艺下可以实现200 ℃的CMOS工艺集成电路。虽然自动调零技术能够大幅削减失调和噪声，但高温下开关和电容器的漏电会影响采样保持电路的精度，造成高温时噪声和失调不能被精确抵消，进而引起失调和噪声的增大。关于这一问题，Finvers Ivars G等人提出：一方面在PCB上通过采用圆环形状有源区减小结面积以减小漏电，并采用极大的保持电容减小漏电引起的电压漂移，另一方面采用低噪声低失调的辅助运放先对失调进行放大然后再送入主运放抵消固有的失调，可增强反馈路径的增益从而增强了对运放失调的抑制效果[7]；Haslett J等人提出了采用差分辅助输入运放，在保持阶段引起的电压误差主要由差分开关的漏电之差决定，从而使漏电绝对值大幅减小[8]；Bergmann J等人提出了用AD/DA数字化存储补偿电压，解决高温下自动调零电路中开关和保持电容器漏电引起的误差问题，但该方案的困难在于，需设计一个在高温下依然具有良好线性度的AD/DA[9]。同时，耐高温电路的设计还存在一些技巧：零温度系数栅偏压、基片偏置反馈、恒定跨导偏置等[10]。在SOI CMOS工艺中，Gehse P等人采用了SIMOX型SOI工艺，实现了一个简单结构的运放，可在300 ℃下正常工作。并建立了高温下SOI工艺器件的模型，验证了所提出的高温模型的有效性，并通过对其进行的高温老化试验证明了所采用的Al2O3陶瓷衬底材料的SOI工艺具有非常出色的高温特性，适宜制作高温模拟电路[11]。SOI材料由单晶硅膜顶层、绝缘埋层和衬底硅组成，因此，器件之间、器件与衬底之间均通过氧化层隔离，大大减小了PN结面积，解决了高温下泄漏电流过大的问题，并完全消除了闩锁效应，如图3所示。理论上，该工艺可耐高温达300 ℃，甚至更高[12～14]。全耗尽型SOI器件可完全杜绝了闩锁效应，但制作工艺难度高，部分耗尽型SOI工艺易于实现，但存在浮体效应、寄生双极晶体管效应等一系列效应，从而使器件性能变差，并对集成电路的性能和可靠性造成一定影响[15]，目前，SOI工艺抑制浮体效应的方法有很多，如体引出技术，Ar注入工艺等，但均存在相应问题。

图2 自动调零技术示意

图3 体硅与SOI硅器件示意

国内高温集成电路相关研究与国外相比较少，主要以理论研究、器件的高温特性分析为主。西安理工大学依托“西安应用材料创新基金：深亚微米SOI CMOS器件的高温特性研究”，采用0.18 μm全耗尽SOI CMOS工艺, 建立的符合深亚微米级要求的器件结构模型，对全耗尽型SOI CMOS电路的高温特性进行了模拟，发现阈值电压随温度升高的特性变化，并提出了一种改进的AINDSOI结构[16]。东南大学微电子中心，基于国防科技预研项目“深亚微米SOI器件研究”提出了一种基于自动体偏置多阈值电压设计高温SOI CMOS电路的方法。一些学者基于零温度系数(ZTC)理论推导出了高精度高温CMOS集成电路参数的定量计算公式和高温CMOS运算放大器设计规则[17]。ZTC理论最初由Shoucair F S提出，核心是设置使漏源电流工作在ZTC的栅偏压，使漏源电流不随温度变化。目前，尚无完全自主研发MEMS高温专用集成电路产品。

2 高温传感器专用集成电路发展趋势

目前，高温传感器专用集成电路产品趋于智能化，并向更高温度发展。德国Fraunhofer研究所高温SOI CMOS工艺的最小特征尺寸为0.35 μm。在高温集成电路设计技术方面，基于现有大量模拟和数字IP块，可以实现专用集成电路的全定制设计。设计产品主要针对传感系统，可以实现信号调理的模拟电路，模/数转换器以及嵌入式微控制器。设计的混合信号集成电路可以实现在250 ℃温度下稳定工作。Kulite公司提出了基于SOI，SiC及GaN材料的高温压力传感器专用集成电路，该电路为数字输出，包括运放、电压基准、A/D转换器和微处理器等电路模块，可应用于175 ℃以上的工作环境，如图4所示[18]。

图4 Kulite公司高温传感器智能专用集成电路

由半导体理论可知，高宽禁带半导体材料在高温下对本征载流子影响小，可使半导体器件受温度影响小，因此，宽禁带半导体材料的研究也是解决集成电路高温工作的方法之一[19]。利用SiC工艺可实现工作在450 ℃下的集成电路，如果进行优化互联工艺，这种基于SiC工艺的电路可以实现在600 ℃高温下工作[20]。6H-SiC基片具有相当于Si的2.6倍的带隙宽度，10倍的击穿电场强度，3倍的温度传导系数，2倍的电子迁移速率，因此,SiC是一种具有更优越的高温特性的基片材料，非常适宜制作高温集成电路。但如获得高性能易于集成的MOSFET还需克服SiC/SiO2界面态的问题，相关SiC/SiO2界面态的特性和模型的研究工作仍在进行[21]，因此，基于SiC的MOSFET性能不佳。2013年,Soong Chia-Wei等人用6H-SiC研制出用于检测电容传感器的单片高带宽跨阻放大器，该放大器在常温下增益和带宽分别为235 kΩ和0.61 MHz，在450 ℃条件下，增益和带宽分别为774 kΩ和0.17 MHz[22],是首次用SiC跨阻放大器证明电容传感器能力的报道。

3 结束语

高温传感器专用集成电路国外已有成熟产品，国内正处于理论分析阶段。主要有体硅CMOS工艺自动调零技术和SOI CMOS工艺2种方法实现集成电路高温工作。通过采用圆环形状有源区、低噪声低失调的辅助运放、AD/DA数字化存储补偿电压等方法改善高温下自动调零电路中开关和保持电容漏电引起的误差问题；通过采用体引出、Ar注入等工艺技术改善了部分耗尽SOI CMOS工艺浮体效应。同时，耐高温电路的设计具有一些技巧：ZTC栅偏压、基片偏置反馈、恒定跨导偏置等。

实际高温环境应用中芯片的失效，往往是由于打线，键合丝，封装的问题而导致的，由半导体材料引起的失效非常少。硅基数字和模拟电路最高工作温度可达250 ℃，其他半导体材料如GaAs，GaP，SiC等有希望工作到200～500 ℃甚至更高。由于Si工艺的兼容性，在打线、金属化、封装等方面更为成熟，所以，目前,在25～250 ℃应用下Si基仍为很好的选择。

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Research status and development trend of high temperature sensor ASIC

CHENG Xin, WU Ya-lin, CHEN Dong-liang, WU Ling-hui

(49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

High temperature sensor application specific integrated circuit(ASIC)has wide application prospects in some special fields of energy,aerospace,and heavy industry.The reason which causes circuit performance degradation and out of work is given in outline.The necessity of high temperature sensor ASIC is elaborated.The domestic and international research status is introduced.Major technologies and design tactics are given.The trend of development is analyzed.The reasons which cause chip failure in high temperature application are summed,and some sane proposals are put forward combined with process compatible.

high temperature sensor; application specific integrated circuit(ASIC); research status; major technologies and design tactics; trend of development

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0005—03

2017—01—19

TN 492

A

1000—9787(2017)09—0005—03

程 鑫(1988-)，女，硕士，工程师，从事集成电路设计工作。