基于横向多晶硅二极管的CMOS兼容热风速计

　　风速计在交通、气象等领域有很多应用.基于硅集成电路技术的热流量型风速计已经发展了很多年[1,2],这种类型的风速计具有利于批量生产、加工成本低、易集成信号处理电路以提高性能,功耗低、体积小等优点.目前,大多数硅热流量风速计都是基于测量热传递的原理,如图1(a)所示.即气流通过一个加热的元件,导致气流被加热,气流吸收的热量多少与通过的风速有关,气流的温度可以采用温度敏感元件测得.由于风速和风向是2个非常关键的气象参数,人们希望风速计能同时测量这2个参数.但目前硅热流量的一维结构不能测量风向.最近,已有同时能测风速和风向的二维结构热流量传感器的报道[3, 4],但不能直接测量出风向参数,需要较复杂的数学运算或电路进行分析.本文提出了一个采用横向多晶硅二极管作测温元件的风速计结构,该风速计可以测量多达8个方向的风向,并且多晶硅横向二极管的尺寸非常小(10μm×10μm),可以根据需要放置更多的测温元件以提高测量风向的精度.

　　1　风速计结构和制备

　　具有8个测温横向多晶硅二极管的热风速计结构如图1(b)所示.图中加热器为一圆环状结构,这样有利于测温元件轴对称放置.8个横向多晶硅二极管均匀分布在加热器的外围并与加热器等距.

　　加热器和测温横向多晶硅二极管都采用多晶硅制造.假定加热器被加热到一个较高的温度,在没有气流通过时,加热器件周围的温度是以加热器为中心同心状分布,每个测温二极管的温度都相等.当流体通过风速计表面时,由于加热器产生的热量被带到了下风处,因此在上风口处的温度将比下风口处低.这样上下风口处的传感器之间将产生一个温度差,该温度差与流体的速度有关,而温度梯度的方向即为流体的方向.在该传感器中,采用8个温度测量元件来测量温度梯度,以给出温度分布情况,从而可以确定风向.由于采用横向多晶硅二极管作温度测量元件,因此要求该二极管具有良好的PN结特性,并且该PN结必须精确地位于加热器外围等距离的范围.该横向多晶硅温度二极管的结构如图2所示.这里加热器和多晶硅二极管都采用多晶硅制造,工艺非常简单,且理论上可以生长在非硅衬底材料上.整个风速计的制作过程简述如下:首先在氧化的硅片上采用化学气相淀积技术生长一层300 nm厚的多晶硅层,然后对该层多晶硅进行大面积轻硼掺杂以便产生有一定电阻率的P-导电层,该导电层可以设计为加热元件和多晶硅横向二极管的一个区(P-区).在多晶硅上淀积氧化层并光刻氧化层,然后重掺杂磷形成二极管的另一个区(N+区).接着在多晶硅上淀积一层低温氧化硅并光刻引线孔,淀积金属并反刻金属以形成互连.整个工艺与CMOS工艺兼容.