张 弛，杨晓亮，唐 瑞，吴 洋

（重庆材料研究院有限公司，重庆400707）

1 引言

MEMS 温度传感器随着MEMS 技术的发展与成熟，在与薄膜技术结合基础上，能为薄膜传感器提供更为微小的衬底结构，结构尺寸可达微米量级，为快速温度测量提供了热容更小的衬底，并且不会对系统结构参数及温度场造成影响和外加扰动。本文综述了几种典型MEMS 温度传感器的发展现状，对比分析了不同种类MEMS 温度传感器的优缺点。得出的结论为：MEMS 温度传感器的温度响应速度快，配置以高采样率动态数据采集系统，拟达到毫微秒级别的数据采集能力，从而实现高速率瞬态温度测量。国内外研究普遍存在几大难点，即可靠的高温柔性衬底材料技术、高温稳定的敏感材料技术、表面MEMS 微制造技术和高温绝缘包封技术等[1-4]。

2 MEMS 温度传感器的基本原理和品种及应用领域

2.1 MEMS 温度传感器概述

MEMS 温度传感器是一种以微机电系统（Microelectro Mechanical Systems）为主要载体，利用ⅠC 电路中的高集成性和CMOS 工艺的成熟性的特点而制成的新型微机电非接触式温度传感器，比传统的接触式温度传感器体积小，设计简单、成本低、响应速度快、操作安全、精度高。其中，由于CMOS 工艺在集成电路领域的成熟性，因此拥有成本低、与标准数字工艺兼容、集成度高、功耗低以及芯片面积小等传统传感器所不具备的优点，可以集成更多的信号感知、调节、转换、处理和控制等功能，现已成为智能温度传感器的主流工艺技术。

2.2 MEMS 温度传感器主要种类及其原理

MEMS 温度传感器大致可分为BJT 基温度传感器、MOSFET 基温度传感器、环振荡基温度传感器三类[5]：①BJT基温度传感器又称双极晶体管温度传感器，是根据BJT 的二极管中基极-源极之间的电压VBE的温度特性来测量温度。其中又因为两个相同晶体管的VBE差值表现为正温度系数，与温度或集电极电流的特性无关，ΔVBE即与绝对温度成正比（PTAT），可得到温度与电压的对应测量曲线图像[3]。②MOSFET 基温度传感器是基于外部电场作用下晶体管内部产生的场效应的智能温度传感器，利用了MOSFET 本身正负温度系数这一特性，在绝大多数情况下都认为MOSFET管的导通电阻具有正温度系数，这意味着MOSFET 的导通电阻阻值随着环境温度的上升而增加，利用这一特点设计研发的基于MOSFET 的温度传感器[6]。③环振荡基温度传感器的设计思想是以环形振荡器产生一个频率随温度升高而升高的时钟信号，由于阈值电压和载流子迁移率随温度升高而减小，可通过计数器对生成的时钟信号进行计数而得到温度值。振荡器的震动频率会受VDD变化的影响。

2.3 MEMS 温度传感器主要应用领域

因为MEMS 温度传感器高集成性、体积小、质量小、成本低、功耗低、可靠性高、易批量生产、可实现智能化的特点而被大范围应用于生物医疗、工业测温、汽车电子等领域。

在生物医疗方面，基于MEMS 温度传感器而设计的体温检测仪相比于传统的体温计，成本并不算高，但却具备更先进的实时监测报告功能，微处理器会自动上传患者体温数据并汇总在云端数据库的功能，方便医务人员更好了解病人情况。

在工业测温领域，新型的MEMS 温度传感器的无接触式测温相较于传统的接触式温度传感器具有显著的优势。传统的接触式温度传感器，比如热电阻、热电偶、PN 结温度传感器等需要与被测介质保持热接触，而根据不同的测温范围对其材料有很高的要求。非接触式的新型MEMS 温度传感器无需与被测介质接触，其通过捕捉被测介质的热辐射或其他方式传到温度传感器，以达到测温的目的，且由于体积小、成本低等优势而得到了大量的应用。

在汽车电子领域，在汽车的发动机上搭载的新型MEMS温度传感器的测温器以体积小、质量小、精度高的特性优于传统的发动机温度传感器，而其自身采用的A/D 转换特性输出数字信号到汽车的电子表盘上相较于传统的指针仪表板人车的交互性更好，数据更准确和明显，故障率更低。

3 MEMS 温度传感器的研究、发展现状

3.1 MEMS 温度传感器研发历程[2]

国际上对MEMS 温度传感器的研究大致从20 世纪60年代开始。1968 年，VERSTER 研究[7]出利用双极型晶体管的基极-发射极电压VBE的负温度特性与ΔVBE的正温度特性实现产生温度感应信号。之后，人们根据如何产生ΔVBE继续进行了大量的研究，实现了利用双极工艺原理而研制的集成温度传感器。可这类温度传感器具有一项缺陷，就是其不具备数字处理接口，灵活性较差，而且与较为流行的CMOS工艺相比，双极工艺集成度偏低，芯片面积大，制造成本也偏高。从20 世纪80 年代开始，集成电路制造的主流逐渐由CMOS 工艺占据。1989 年，MEⅠJER 在文章中[8]率先提出具有真正现代意义的CMOS 温度传感器。因为COMS 工艺的成本较低，使得采用CMOS 工艺的温度传感器制造成本也大大降低。又由于CMOS 工艺的特性，系统的集成度也同时得到了提升。近年来随着CMOS 工艺的进一步发展，基于CMOS 工艺也研制出了不同的结构MEMS 集成温度感器。随着技术的进步，这类MEMS 温度感器的误差和功耗越来越小[9]。

3.2 MEMS 温度传感器研究现状

现在主流的MEMS 温度传感器设计思路是在搭载的智能CMOS 片上集成由温度传感电路及其接口电路组成的一个温度传感器系统[10]。接口电路一般由偏置电路以及模数转换器组成。温度传感电路中的电流信号或电压信号即由偏置电路产生，温度感应元件的选取是温度传感电路的设计核心，温度感应元件在温度传感电路中产生与温度相关的电流、电压或者时间信号。集成电阻、金属-氧化物半导体场效应管（MOSFET）、CMOS 工艺下的双极晶体管（BJT）是目前常用的温度感应元件。温度传感器中的温度信号转换成数字信号输出则由数字处理模块完成，模数转换器（ADC）是其最常见的方法。

2005 年PERTⅠJS 等人在文献中[11]提出了一种结合BJT与二阶sigma-delta ADC 实现的温度传感器，其误差仅为±0.1 ℃，但却存在电路结构复杂、单面积功耗较大等缺点。2013 年SHAHMOHAMMADⅠ等人[12]论述了一种基于集成电阻的温度传感器，用于MEMS 频率补偿。这种温度传感器的测量灵敏度达到了6 mK，其误差为±0.15 ℃。2015 年ANAND 等人[13]设计的温度传感器在65 nm 的工艺下完成，其误差为±0.9 ℃。2014 年蒋玉龙教授[14]设计了一种温度传感器，其结构基于BJT 与SAR ADC 设计，测温误差为±1℃。2017 年，YOUSEFZADEH 等人[15]设计的温度传感器，在温度感应以及偏置电路等多部分采用先进技术消除误差。其设计的温度传感器误差仅为±60 mK，是目前有报道的温度传感器中误差最小的。

在现代芯片上的热管理中，紧凑和快速的温度传感器是最需要关注的两个方向。目前已报道的文献中，均缺少相关的解决方案，普遍存在功耗较大、处理复杂和成本较高等缺点。2018 年，报道了采用28 nmFD-OⅠCMOS 工艺开发的225 μm2探针单点校正的嵌入式数字温度传感器有望在未来大范围应用[16]。

3.3 MEMS 温度传感器产业情况

薄膜技术最先发展于德国，二战期间，HACKE[17]首次提出薄膜热电偶概念，将其用于测量子弹射出后枪膛壁的温度变化，彼时薄膜厚度为2 μm 左右；美国NASA Lewis 研究中心采用MEMS 技术，溅射出5～8 μm 的PtRh13 热电偶电极，制出了测温1 100 ℃、测量误差±0.3 ℃的薄膜传感器，满足了航空航天环境下的快速测温需要；1996 年英国RR 公司利用Pt-Rh/Pt 薄膜热电偶测量薄壁导向器叶片1 200 ℃的温度分布。美国PW 公司研制出膜厚2～12 μm 的PtRh10/Pt溅射式薄膜热电偶，完成了发动机高压燃烧室试验。

目前，比较成熟的MEMS 温度传感器主要来自ADⅠ、德州仪器（TⅠ）、美信等国外主流半导体厂商。其中，德州仪器生产的温度传感器在20 ～40 ℃时的最大误差为±0.13 ℃，主要用于人体测温。但该产品需要外接模数转换器等数字处理模块进行信号处理[18]。国内也有数家单位在此方面投入研究，比如中北大学、电子科技大学、西北工业大学、上海交通大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国电子科技集团49 所等，但研发技术比较滞后，涉及的产品和专利较少。近来年，国内各大传感器领域知名厂商以微机电系统MEMS 技术为基础的智能传感器亮也相各大展会[6]。有关机构预测COMS 温度传感器2013～2020 年市场占有额年均增长46.16%，预计2020 年达到9.6 亿美元[19]，展现出巨大的发展空间。

3.4 MEMS 温度传感器发展情况

对于主流的3 种温度传感器来说，各自有各自的优缺点。BJT 基温度传感器由于BJT 良好的温度特性，这种温度传感器可以达到很高的精度，且成本低、稳定性高、灵敏度高、可预测性高，以及相关温度的时间非依赖性是其较显著的优点。但是受工艺容差和自身成熟度的影响，相比其他类型的温度传感器面积和功耗较大，但近些年来随着技术的进步已经有很大的改善，应用范围逐渐扩大。

用MOSFET 设计的优点是简单快捷、成本低、工艺成熟、集成度高等，缺点是实际操作中还需考虑莫氏管本身自带的内部电阻r0，即需代入沟道长度模型分析，而内部电阻阻值也会随着环境温度的改变而变化，导致其精密性下降，最终测得结果与理论值有一定的偏差。

环振荡器的线路简单、使用方便、成本低、起振容易、可调节能力强，如果不加延迟网络就不需要阻容元件，非常适合于集成化。但环振荡器如果没有延迟网络频率，则不便于灵活选择，而且环振荡器所需芯片面积和成本相比其他设计不占优势。因此，基于环振荡器的线路设计的温度传感器主要应于对内部集成要求不高的工业测温领域。

4 结论

MEMS 温度传感器与传统温度传感器相比，其具有体积小、灵敏度高、误差小、功耗低、抗干扰能力强等优点，加之其可以大规模生产制造，所以成本低。这使得MEMS 温度传感器有了逐渐取代传统温度传感器的优势，在微型化、智能化程度越来越高的各电子领域更为明显。因此，研究应用各智能领域的MEMS 温度传感集具有十分重要的意义。

MEMS 温度传感器其发展水平已成为衡量个国家是否具有国际竞争优势的重要标志，MEMS 温度传感器市场新一轮增长已经启动，正处于技术突破发展以及产业形成的关键时间点。目前，传感器中微小型化和智能化趋势明显，此需求将大力推动温度传感器向以CMOS 为主流的MEMS 温度传感器发展。