一种高温压力传感器专用集成电路的制作方法

本发明涉及一种高温压力传感器专用电路，属于信号处理领域。

背景技术：

压力传感器专用电路主要由接口电路和信号调理电路构成，起着对传感器输出信号进行放大和补偿等重要作用，保证了信号测量的可靠性。

现有由分立元件构成的压力传感器专用电路在高温和振动的工作环境下，其性能急剧下降，甚至无法使用。

现有功能集成的压力传感器专用电路在有效解决以上由分立元件构成的压力传感器专用电路存在的问题的同时，大幅度地减小了该电路的体积和重量。但是，由于现有功能集成的压力传感器专用电路采用体硅CMOS工艺制成，在125℃以上的工作环境下，其性能仍然明显下降。为此，人们通过优化电路布局和完善制造工艺的方式将其额定工作温度的上限提升至175℃，但是其工作寿命仍然不到一年，而且可靠性有待考证。

在体硅CMOS工艺下，电子器件与电子器件以及电子器件与衬底均通过PN结进行隔离。在常温下，PN结反向漏电流很低，但是，PN结反向漏电流会随外界环境温度的升高而增大。当温度超过175℃时，现有功能集成的压力传感器专用电路会因漏电流过大而无法正常工作。另一方面，压力传感器的灵敏度随温度的升高而降低，电路失调电压会随温度的升高而增大。在225℃以上的工作环境下，其性能急剧下降，严重影响信号测量的可靠性。

技术实现要素：

本发明为解决现有体硅CMOS工艺的压力传感器专用集成电路的额定工作温度上限值过低和不具备对压力传感器进行温度失调补偿的功能的问题，提出了一种高温压力传感器专用集成电路。

本发明所述的高温压力传感器专用集成电路包括内建电源单元、恒流源单元、仪表放大器单元和失调补偿单元；

内建电源单元与外部电压源相连，并用于同时为恒流源单元、仪表放大器单元和失调补偿单元提供零温度系数的工作电压；

恒流源单元的温度系数可调，其用于为高温压力传感器提供工作电流，并对其进行温度补偿；

仪表放大器单元用于放大高温压力传感器的输出信号；

失调补偿单元用于同时对所述集成电路进行系统失调补偿和温度失调补偿；

所述集成电路采用SOI CMOS工艺制成。

优选的是，内建电源单元包括第一电压基准子单元1、第一运算放大器OP₁、第一场效应管MO₁、第二场效应管MO₂、第三场效应管MO₃、第一电阻R₁、第二电阻R₂和电容C₁；

外部电压源同时接入第一运算放大器OP₁的正电源端和第三场效应管MO₃的源极，第三场效应管MO₃的栅极和漏极均与第二场效应管MO₂的源极相连，第二场效应管MO₂的栅极和漏极均与第一场效应管MO₁的漏极相连，第一场效应管MO₁的栅极与第一运算放大器OP₁的输出端相连，第一场效应管MO₁的源极同时与第一电压基准子单元1的正电源端、第一电阻R₁的第一端和电容C₁的第一端相连，第一电阻R₁的第二端同时与第二电阻R₂的第一端和第一运算放大器OP₁的反相输入端相连，第一运算放大器OP₁的正相输入端与第一电压基准子单元1的输出端相连，电容C₁的第二端、第二电阻R₂的第二端、第一运算放大器OP₁的负电源端和第一电压基准子单元1的负电源端均与电源地相连；

第一场效应管MO₁、第一电阻R₁、电容C₁与第一电压基准子单元1的公共端为内建电源单元的输出端。

优选的是，恒流源单元包括第二电压基准子单元2、第一温度传感器3、第二运算放大器OP₂和第三电阻R₃；

内建电源单元的输出端同时与第三电阻R₃的第一端、第二运算放大器OP₂的负电源端、第一温度传感器3的正电源端和第二电压基准子单元2的正电源端相连，第三电阻R₃的第二端同时与第二运算放大器OP₂的反相输入端和输出端相连，第二运算放大器OP₂的同相输入端同时与第二电压基准子单元2的输出端和第一温度传感器3的输出端相连，第二运算放大器OP₂的正电源端、第二电压基准子单元2的负电源端和第一温度传感器3的负电源端均电源地相连；

第二运算放大器OP₂与第三电阻R₃的公共端为恒流源单元的输出端。

优选的是，仪表放大器单元包括第三运算放大器OP₃、第四运算放大器OP₄、第五运算放大器OP₅、第一电阻阵列以及第四电阻R₄至第十二电阻R₁₂；

第三运算放大器OP₃的输出端同时与第四电阻R₄的第一端和第六电阻R₆的第一端相连，第四电阻R₄的第二端同时与第三运算放大器OP₃的反相输入端和第十二电阻R₁₂的第一端相连，第十二电阻R₁₂的第二端同时与第五电阻R₅的第一端和第四运算放大器OP₄的反相输入端相连，第四运算放大器OP₄的输出端同时与第五电阻R₅的第二端和第七电阻R₇的第一端相连；

第六电阻R₆的第二端同时与第八电阻R₈的第一端、第十电阻R₁₀的第一端和第五运算放大器OP₅的反相输入端相连，第八电阻R₈的第二端与第五运算放大器OP₅的输出端相连，第七电阻R₇的第二端同时与第五运算放大器OP₅的同相输入端、第九电阻R₉的第一端和第十一电阻R₁₁的第一端相连，第九电阻R₉的第二端与电源地相连；

在第三运算放大器OP₃、第四电阻R₄与第十二电阻R₁₂的公共端和第四运算放大器OP₄、第五电阻R₅与第十二电阻R₁₂的公共端之间设置有第一电阻阵列，

第一电阻阵列与第十二电阻R₁₂并联，第一电阻阵列的接入阻值可调；

第三运算放大器OP₃的正相输入端和第四运算放大器OP₄的正相输入端分别为仪表放大器单元的第一输入端和第二输入端；

第五运算放大器OP₅与第八电阻R₈的公共端为仪表放大器单元的输出端；

第十电阻R₁₀的第二端与失调补偿单元的输出端相连，第十一电阻R₁₁的第二端与电源地相连；

或者，第十一电阻R₁₁的第二端与失调补偿单元的输出端相连，第十电阻R₁₀的第二端与电源地相连。

优选的是，失调补偿单元包括第二温度传感器4、第二电阻阵列5、第三电压基准子单元6、第六运算放大器OP₆、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄和第十五电阻R₁₅；

第二温度传感器4的输出端与第十三电阻R₁₃的第一端相连，第十三电阻R₁₃的第二端同时与第十四电阻R₁₄的第一端、第六运算放大器OP₆的反相输入端和第十五电阻R₁₅的第一端相连，第十五电阻R₁₅的第二端与第六运算放大器OP₆的输出端相连，第六运算放大器OP₆的正相输入端与电源地相连；

第二电阻阵列5设置在第十四电阻R₁₄的第二端与第三电压基准子单元6的输出端之间，第二电阻阵列5的接入阻值可调；

第六运算放大器OP₆与第十五电阻R₁₅的公共端为失调补偿单元的输出端。

本发明所述的高温压力传感器专用集成电路采用SOI CMOS工艺制成，利用SOI CMOS工艺耐高温的特点，提升了压力传感器专用集成电路的额定工作温度上限值，解决了现有体硅CMOS工艺的压力传感器专用集成电路的额定工作温度上限值过低的问题。本发明的恒流源单元用于为高温压力传感器供电，其温度系数可调，起到了对高温压力传感器进行温度失调补偿的作用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的高温压力传感器专用集成电路进行更详细的描述，其中：

图1是实施例一所述的高温压力传感器专用集成电路的结构框图，A为仪表放大器单元，B为高温压力传感器的感压电桥；

图2是实施例二提及的内建电源单元的电路原理图，VDD_H为外部电压源的输出电压，VDD_L为内建电源单元的输出电压；

图3是实施例三提及的恒流源单元的电路原理图，I_OUT为恒流源单元为高温压力传感器提供的温度系数可调电流；

图4是实施例四提及的仪表放大器单元的电路原理图，IN+为仪表放大器单元的同相输入端，IN-为仪表放大器单元的反相输入端，V_OUT1为仪表放大器单元的输出端，O₁为第十电阻R₁₀的第二端，O₂为第十一电阻R₁₁的第二端，a和b分别为第一电阻阵列的第一接入端和第二接入端；

图5是实施例四提及的第一电阻阵列的结构示意图；

图6是实施例五提及的失调补偿单元的电路原理图，V_OUT2为失调补偿单元的输出端；

图7是实施例五提及的第二电阻阵列的结构示意图；

图8是实施例五所述的高温压力传感器专用集成电路的平面示意图，z为第十四电阻R₁₄的第二端。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的高温压力传感器专用集成电路作进一步说明。

实施例一：下面结合图1详细地说明本实施例。

本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路包括内建电源单元、恒流源单元、仪表放大器单元和失调补偿单元；

内建电源单元与外部电压源相连，并用于同时为恒流源单元、仪表放大器单元和失调补偿单元提供零温度系数的工作电压；

恒流源单元的温度系数可调，其用于为高温压力传感器提供工作电流，并对其进行温度补偿；

仪表放大器单元用于放大高温压力传感器的输出信号；

失调补偿单元用于同时对所述集成电路进行系统失调补偿和温度失调补偿；

所述集成电路采用SOI CMOS工艺制成。

基于SOI CMOS工艺的集成电路将NMOS管、PMOS管、电容、电阻等电子器件制作在SOI基片的薄层硅上，电子器件与电子器件以及电子器件与衬底均通过氧化层隔离，大大减小了PN结面积，不仅能够解决高温下泄漏电流过大的问题，而且能够完全消除闩锁效应。因此，基于SOI CMOS工艺的集成电路具有能够在高温(225℃)下稳定工作的特点。相比于蓝宝石和碳化硅等材质的基片，SOI基片的制备更加容易，成本也更低，是未来集成电路发展的主流技术。本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路将各个功能单元集成在一块芯片上，具有优良的一致性、高共模抑制比和高输入阻抗等优点，使用方便。

图1为高温压力传感器专用集成电路的结构框图，高温压力传感器的感压电桥包括第一力敏电阻R_a、第二力敏电阻R_b、第三力敏电阻R_c和第四力敏电阻R_d，第一力敏电阻R_a、第二力敏电阻R_b、第三力敏电阻R_c和第四力敏电阻R_d依次串联。第一力敏电阻R_a与第二力敏电阻R_b的公共端与恒流源单元的输出端相连，第二力敏电阻R_b与第三力敏电阻R_c的公共端与仪表放大器单元的反相输入端相连，第三力敏电阻R_c与第四力敏电阻R_d的公共端与电源地相连，第一力敏电阻R_a与第四力敏电阻R_d的公共端与仪表放大器单元的同相输入端相连。其中，第一力敏电阻R_a和第三力敏电阻R_c的阻值均随所受压力的升高而增大，第二力敏电阻R_b和第四力敏电阻R_d的阻值均随所受压力的升高而减小。

在压力传感器领域，将工作温度超过150℃的压力传感器称为高温压力传感器。

实施例二：下面结合图2详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的高温压力传感器专用集成电路作进一步的限定。

本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路，内建电源单元包括第一电压基准子单元1、第一运算放大器OP₁、第一场效应管MO₁、第二场效应管MO₂、第三场效应管MO₃、第一电阻R₁、第二电阻R₂和电容C₁；

外部电压源同时接入第一运算放大器OP₁的正电源端和第三场效应管MO₃的源极，第三场效应管MO₃的栅极和漏极均与第二场效应管MO₂的源极相连，第二场效应管MO₂的栅极和漏极均与第一场效应管MO₁的漏极相连，第一场效应管MO₁的栅极与第一运算放大器OP₁的输出端相连，第一场效应管MO₁的源极同时与第一电压基准子单元1的正电源端、第一电阻R₁的第一端和电容C₁的第一端相连，第一电阻R₁的第二端同时与第二电阻R₂的第一端和第一运算放大器OP₁的反相输入端相连，第一运算放大器OP₁的正相输入端与第一电压基准子单元1的输出端相连，电容C₁的第二端、第二电阻R₂的第二端、第一运算放大器OP₁的负电源端和第一电压基准子单元1的负电源端均与电源地相连；

第一场效应管MO₁、第一电阻R₁、电容C₁与第一电压基准子单元1的公共端为内建电源单元的输出端。

本实施例的内建电源单元具有隔离电源噪声和提高电源抑制比的作用。在现有技术中，内建电源电路通常采用耐高压场效应管作为调整管，实现稳压的功能。而本实施例通过在第一场效应管MO₁的漏极依次串联二极管接法的第二场效应管MO₂和第三场效应管MO₃，使第一场效应管MO₁的源漏电压小于其击穿电压，从而实现了无耐压管情况下内建电源电路的构建，解决了无耐高压管条件下的压力传感器专用集成电路的高压供电问题。

本实施例将第一电压基准子单元1的输出电压设计为零温度系数电压，因此，内建电源单元的输出电压VDD_L为零温度系数电压。

实施例三：下面结合图3详细地说明本实施例。本实施例是对实施例二所述的高温压力传感器专用集成电路作进一步的限定。

本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路，恒流源单元包括第二电压基准子单元2、第一温度传感器3、第二运算放大器OP₂和第三电阻R₃；

内建电源单元的输出端同时与第三电阻R₃的第一端、第二运算放大器OP₂的负电源端、第一温度传感器3的正电源端和第二电压基准子单元2的正电源端相连，第三电阻R₃的第二端同时与第二运算放大器OP₂的反相输入端和输出端相连，第二运算放大器OP₂的同相输入端同时与第二电压基准子单元2的输出端和第一温度传感器3的输出端相连，第二运算放大器OP₂的正电源端、第二电压基准子单元2的负电源端和第一温度传感器3的负电源端均电源地相连；

第二运算放大器OP₂与第三电阻R₃的公共端为恒流源单元的输出端。

众所周知，压力传感器的灵敏度会随着温度的升高而下降。现有技术通常采用调节分立热敏电阻的方式对传感器的灵敏度进行补偿，但是这种方法在高温条件下并不适用，主要有以下两方面原因：

1)分立热敏电阻器件无法在225℃高温下工作；

2)热敏电阻温度系数不可调，当温度发生变化时，不能确保传感器灵敏度得到充分补偿。

而本实施例的恒流源单元能够实现高温(225℃)下传感器的灵敏度补偿，主要包括以下两方面原因：

1)本实施例的恒流源单元采用SOI CMOS工艺制成，在高温环境下性能稳定；

2)本实施例的恒流源单元温度系数可调，其为压力传感器提供的电流随着温度的升高而增大，从而达到补偿压力传感器灵敏度的目的。

本实施例的恒流源单元的输出电流可自身调节：

I_OUT＝V_ip/R_S (1)

其中，V_ip为第二运算放大器OP₂的输出端电压。

V_ip＝V_ref+V_t (2)

其中，V_ref为第二电压基准子单元2的输出电压，V_t为第一温度传感器3的输出电压，第一温度传感器3的输出电压V_t与温度成正比，第二电压基准子单元2的输出电压V_ref保持恒定，因此第二运算放大器OP₂的输出端电压V_ip随温度的升高而增大。当外界温度升高时，恒流源单元的输出电流增大，从而抑制压力传感器灵敏度的下降，实现了对高温下传感器灵敏度的自动补偿。

实施例四：下面结合图4和图5详细地说明本实施例。本实施例是对实施例三所述的高温压力传感器专用集成电路作进一步的限定。

本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路仪表放大器单元包括第三运算放大器OP₃、第四运算放大器OP₄、第五运算放大器OP₅、第一电阻阵列以及第四电阻R₄至第十二电阻R₁₂；

第三运算放大器OP₃的输出端同时与第四电阻R₄的第一端和第六电阻R₆的第一端相连，第四电阻R₄的第二端同时与第三运算放大器OP₃的反相输入端和第十二电阻R₁₂的第一端相连，第十二电阻R₁₂的第二端同时与第五电阻R₅的第一端和第四运算放大器OP₄的反相输入端相连，第四运算放大器OP₄的输出端同时与第五电阻R₅的第二端和第七电阻R₇的第一端相连；

第六电阻R₆的第二端同时与第八电阻R₈的第一端、第十电阻R₁₀的第一端和第五运算放大器OP₅的反相输入端相连，第八电阻R₈的第二端与第五运算放大器OP₅的输出端相连，第七电阻R₇的第二端同时与第五运算放大器OP₅的同相输入端、第九电阻R₉的第一端和第十一电阻R₁₁的第一端相连，第九电阻R₉的第二端与电源地相连；

在第三运算放大器OP₃、第四电阻R₄与第十二电阻R₁₂的公共端和第四运算放大器OP₄、第五电阻R₅与第十二电阻R₁₂的公共端之间设置有第一电阻阵列，

第一电阻阵列与第十二电阻R₁₂并联，第一电阻阵列的接入阻值可调；

第三运算放大器OP₃的正相输入端和第四运算放大器OP₄的正相输入端分别为仪表放大器单元的第一输入端和第二输入端；

第五运算放大器OP₅与第八电阻R₈的公共端为仪表放大器单元的输出端；

第十电阻R₁₀的第二端与失调补偿单元的输出端相连，第十一电阻R₁₁的第二端与电源地相连；或者，第十一电阻R₁₁的第二端与失调补偿单元的输出端相连，第十电阻R₁₀的第二端与电源地相连。

在本实施例中，仪表放大器单元的第一级包括第三运算放大器OP₃、第四运算放大器OP₄以及由第四电阻R₄、第五电阻R₅和第十二电阻R₁₂构成的负反馈电阻网络。仪表放大器单元的第二级包括第五运算放大器OP₅以及由第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈和第九电阻R₉构成的电阻网络，提供R₈/R₆的增益。本实施例的仪表放大器单元的运放增益为R₈/R₆(1+2R₅/R₁₂)。现有技术通常通过调节R₁₂的阻值来改变电压增益，由于高温下电阻的阻值不可调，故本实施例通过将R₁₂并联第一电阻阵列的方式改变综合电阻值，进而调节仪表放大器单元的增益。

图5为第一电阻阵列的示意图，如图5所示，本实施例的第一电阻阵列包括第一调节电阻至第三调节电阻。第一调节电阻的两端分别为a₁和b₁，第二调节电阻的两端分别为a₂和b₂，第三调节电阻的两端分别为a₃和b₃。在实际调节中，可以选择一个调节电阻与R₁₂并联。例如：a₁与a相连，b₁与b相连。也可以先构建调节电阻网络，再与R₁₂并联。例如：先将a₁与a₂相连，将二者的公共端与a相连，再将b₁与b₂相连，将二者的公共端与b相连。

实施例五：下面结合图6至图8详细地说明本实施例。本实施例是对实施例四所述的高温压力传感器专用集成电路作进一步的限定。

本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路，失调补偿单元包括第二温度传感器4、第二电阻阵列5、第三电压基准子单元6、第六运算放大器OP₆、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄和第十五电阻R₁₅；

第二温度传感器4的输出端与第十三电阻R₁₃的第一端相连，第十三电阻R₁₃的第二端同时与第十四电阻R₁₄的第一端、第六运算放大器OP₆的反相输入端和第十五电阻R₁₅的第一端相连，第十五电阻R₁₅的第二端与第六运算放大器OP₆的输出端相连，第六运算放大器OP₆的正相输入端与电源地相连；

第二电阻阵列5设置在第十四电阻R₁₄的第二端与第三电压基准子单元6的输出端之间，第二电阻阵列5的接入阻值可调；

第六运算放大器OP₆与第十五电阻R₁₅的公共端为失调补偿单元的输出端。

在本实施例中，第三电压基准子单元6和第二电阻阵列5构成系统失调补偿子单元，系统失调补偿子单元用于对本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路进行系统失调补偿。

图7是第二电阻阵列5的结构示意图，如图7所示，第二电阻阵列5包括第四调节电阻至第六调节电阻。第四调节电阻的两端分别为z₁和z₄，第五调节电阻的两端分别为z₂和z₅，第六调节电阻的两端分别为z₃和z₆。第三电压基准子单元6的输出端与z₄固连，第二电阻阵列5可以构成多种阻值不同的调节电阻网络，并连接第三电压基准子单元6与第十四电阻R₁₄。本实施例通过在第十四电阻R₁₄的第二端与第三电压基准子单元6的输出端之间设置第二电阻阵列5，使得第十四电阻R₁₄第二端的电压在零点与第三电压基准之间可调。在不考虑温度影响的情况下，仪表放大器单元在无输入时输出为零，达到补偿电路系统失调电压的目的。第二温度传感器4为温度失调补偿子单元，用于对本实施例所述的高温压力传感器专用集成电路进行温度失调补偿。第二温度传感器4的输出电压随外界温度的升高而增大，调节第二温度传感器4的输出电压，使之与温度漂移失调电压向匹配，进行实现对所述集成电路的温度失调补偿。

失调补偿单元的输出电压为系统失调补偿子单元的输出电压与温度失调补偿子单元的输出电压之和。在现实应用中，失调补偿单元的输出端V_OUT2可根据实际需求接入第十电阻R₁₀的第二端O₁或第十一电阻R₁₁的第二端O₂，其补偿失调电压＝系统失调电压±失调补偿单元的输出电压。

现有调节零点方法为滑动变阻器调节，该方法在高温电路中同样不适用。由于电路失调电压在高温下产生较大的温度漂移失调，使得高温条件下电路失调不易补偿。因此，本实施例将系统失调补偿子单元和温度失调补偿子单元同时作用于输出级运放的输入端，通过适当调节即可抵消所述集成电路的系统失调与温度漂移失调，实现高温电路失调补偿。与此同时，利用第二温度传感器感知环境温度，可为温度补偿提供高精度的温度反馈信号。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。